第7章--几种常见操作系统典型功能的实现方法举例课件.ppt

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1、第第7章章 几种常见操作系统典型功能的实现方法举例几种常见操作系统典型功能的实现方法举例n7.1 Windows NT7.1 Windows NT进程、线程的特点进程、线程的特点n7.2 UNIX7.2 UNIX进程管理进程管理n7.3 UNIX7.3 UNIX进程通信与同步机制进程通信与同步机制n7.4 Windows NT7.4 Windows NT文件系统文件系统n7.5 UNIX7.5 UNIX文件系统索引结构介绍文件系统索引结构介绍n7.6 Linux7.6 Linux文件系统文件系统n7.7 UNIX NFS7.7 UNIX NFS文件系统文件系统n7.8 Windows NT 7

2、.8 Windows NT 存储管理的二级页表结构存储管理的二级页表结构n7.9 Linux 7.9 Linux 系统的内存管理技术系统的内存管理技术n7.10 UNIX7.10 UNIX内存管理技术内存管理技术n7.11 UNIX I/O7.11 UNIX I/O设备管理设备管理n7.12 Linux I/O7.12 Linux I/O设备管理设备管理本章学习目标本章学习目标nUNIX的的进进程程管管理理及及调调度度，包包括括进进程程同同步步机机制介绍制介绍nUNIX文件的物理结构文件的物理结构nLinux操作系统文件名到文件分量的映射操作系统文件名到文件分量的映射nWindowsNT、Li

3、nux及及UNIX内存管理技术内存管理技术nLinux及及UNIX设备管理设备管理7.1 Windows NT进程、线程的特点进程、线程的特点n7.1.1 Windows NT进进程程、线线程程及及对对象象之之间间的的关系关系n7.1.2 进程管理程序进程管理程序n7.1.3 线程调度线程调度 返回首页7.1.1 Windows NT进程、线程及对象之间的关系进程、线程及对象之间的关系（1）线程是进程的一个组成部分。）线程是进程的一个组成部分。（2）进程多线程都在进程的地址空间活动。）进程多线程都在进程的地址空间活动。（3）资资源是分源是分给进给进程的，而不是分程的，而不是分给线给线程的，程的

4、，并且系并且系统还为统还为分分给进给进程的程的资资源源规规定了配定了配额额。（4）调度的基本单位是线程。）调度的基本单位是线程。（5）线程在执行过程中需要同步。）线程在执行过程中需要同步。返回本节7.1.2 进程管理程序进程管理程序（1）客户进程用创建原语创建进程。）客户进程用创建原语创建进程。（2）客）客户进户进程通程通过发过发送消息送消息给给相相应应的服的服务务器器进进程。程。（3）服务器进程调用）服务器进程调用Windows NT执行体的进程管理执行体的进程管理程序为之创建一个程序为之创建一个Windows NT本机进程。本机进程。（4）进进程程创创建后，建后，进进程管理程序返回一个句柄

5、程管理程序返回一个句柄给进给进程程对对象。象。（5）环环境子系境子系统统取得取得该该句柄，生成客句柄，生成客户应户应用程序所期用程序所期望的适合本望的适合本环环境的返回境的返回值值。（6）环环境子系境子系统调统调用用Windows NT的的进进程管理程序程管理程序为为已已创创建的新建的新进进程程创创建一个建一个线线程。程。返回本节7.1.3 线程调度线程调度n在在Windows NT中中，一一个个线线程程在在它它的的生生命命期期中中要要经经历历以下以下6种状种状态态：（1）就绪状态）就绪状态（2）备用状态）备用状态（3）运行状态）运行状态（4）等待状态）等待状态（5）转换状态）转换状态（6）终

6、止状态（）终止状态（如如图图7.1所示）所示）初始化就绪备用终止运行转换等待创建并初始化线程对象重新初始化放入就绪队列选择执行抢先资源成为可用的资源不可用抢先或时间片结束等待完成线程等待一个对象句柄执行完成描述表切换并开始执行（调度）图7.1 线程的调度状态之间的转化图返回本节7.2 UNIX进程管理进程管理n7.2.1 UNIX进程状态进程状态n7.2.2 UNIX进程描述进程描述n7.2.3 UNIX进程控制进程控制n7.2.4 UNIX进程调度进程调度 返回首页7.2.1 UNIX进程状态进程状态nUNIX中共有中共有9种种进进程状程状态态：（1）核心运行状态）核心运行状态（2）用户运行

7、状态）用户运行状态（3）内存中就绪）内存中就绪（4）内存中睡眠）内存中睡眠（5）就绪且换出）就绪且换出（6）睡眠且换出）睡眠且换出（7）被抢占状态）被抢占状态（8）创建状态）创建状态（9）僵死状态）僵死状态（如图如图7.2所示）所示）用户态执行返回到用户态返回系统调用、中断中断、中断返回僵死睡眠唤醒唤醒换出换出换入调度内存中睡眠睡眠且交换内存不足有足够内存创建剥夺核心态执行被剥夺状态终止内存中就绪fork123456789图7.2 UNIX进程状态转化图返回本节7.2.2 UNIX进程描述进程描述（1）一个）一个进进程是程是对对一个程序的一个程序的执执行。行。（2）一一个个进进程程的的存存在在

8、意意味味着着系系统统中中存存在在着着一一个个常常驻驻内内存存的的进进程程表表项项（proc结结构构），它它包包含含着着相相应应进进程程的控制信息。的控制信息。（3）对对每每一一个个进进程程，有有一一个个被被称称为为U区区的的数数据据结结构构，这这个个结结构中存放着构中存放着该进该进程的私用控制信息。程的私用控制信息。（4）一个）一个进进程可以生成或撤程可以生成或撤销销其子其子进进程。程。（5）一一个个进进程程是是获获得得和和释释放放各各种种系系统统资资源源的的基基本本单单位。位。返回本节7.2.3 UNIX进程控制进程控制n在在UNIX系统中，除了系统中，除了0#进程之外，其他所进程之外，其他

9、所有进程都是被另一个进程利用系统调用有进程都是被另一个进程利用系统调用fork创建的。创建的。n0#进程是一个特殊的系统进程，它是在系统进程是一个特殊的系统进程，它是在系统引导时被创建的。系统初启时，引导时被创建的。系统初启时，0#进程创建进程创建了了1#进程，此后进程，此后0#进程就变成了交换进程，进程就变成了交换进程，而而1#进程变成了系统的始祖进程。进程变成了系统的始祖进程。UNIX系系统利用统利用fork为每个终端创建一个子进程为用为每个终端创建一个子进程为用户服务，如等待用户登录、执行户服务，如等待用户登录、执行shell命令解命令解释程序等。释程序等。返回本节7.2.4 UNIX进

10、程调度进程调度n由于由于UNIX系统是单纯的分时系统，所以没系统是单纯的分时系统，所以没有设置作业调度。有设置作业调度。UNIX系统的进程调度采系统的进程调度采用的算法是，多级反馈队列轮转调度法。调用的算法是，多级反馈队列轮转调度法。调度的算法如图度的算法如图7.3所示。所示。n核心先从最高核心先从最高优优先先级级就就绪队绪队列中取出排在列中取出排在队队列最前面的列最前面的进进程，当程，当进进程程执执行完一个行完一个时间时间片片仍未完成仍未完成则则剥剥夺夺它的它的执执行，将它放入到相行，将它放入到相应应的的队队列中。然后，再从最高列中。然后，再从最高优优先先级级就就绪队绪队列列中取出下一个就中

11、取出下一个就绪进绪进程投入运行。程投入运行。调度内存中有可运行的进程？选择内存中优先级最高、驻留时间最长的就绪或被剥夺进程从就绪队列中移出切换到该进程的上下文恢复其执行CPU空闲NY图7.3 UNIX进程调度算法返回本节7.3 UNIX进程通信与同步机制进程通信与同步机制nUNIX系系统统V中的中的进进程通信可分程通信可分为为4个部分：个部分：低低级级通信、管道通信、通信、管道通信、进进程程间间通信和网通信和网络进络进程程间间通信。通信。（1）低级通信主要用来传递进程间的控制信）低级通信主要用来传递进程间的控制信号。号。（2）管道通信用来在同一家族的进程间传递）管道通信用来在同一家族的进程间传

12、递比特流。比特流。返回首页（3）进进程程间间通信通信IPC是是UNIX系系统统V的一个核的一个核心程序包，它心程序包，它负责负责完成同一完成同一计计算机内各算机内各进进程程间间大量数据的大量数据的传传送工作。它由送工作。它由3部分部分组组成：成：消息机制、共享存消息机制、共享存储储器机制和信号量机制。器机制和信号量机制。（4）网络进程间的通信是基于通信协议的。）网络进程间的通信是基于通信协议的。返回本节7.4 Windows NT文件系统文件系统n7.4.1 FAT文件分配表文件分配表n7.4.2 NTFS文件系统文件系统 返回首页7.4.1 FAT文件分配表文件分配表n文文件件分分配配表表是

13、是微微软软用用在在DOS及及Windows操操作作环环境境的的文文件件系系统统格格式式。FAT文文件件系系统统有有如如下下特点特点:（1）支持长文件名。）支持长文件名。（2）不提供本地安全性。）不提供本地安全性。（3）最大文件）最大文件/分区大小分区大小为为4GB。返回本节7.4.2 NTFS文件系统文件系统nNTFS文件系文件系统统的特点：的特点：（1）支持长文件名称的操作。）支持长文件名称的操作。（2）提供）提供了了C2的安全等级。的安全等级。（3）支支持持比比FAT文文件件系系统统更更大大的的文文件件与与分分区区，理理论论上上两两者者均均可可达达到到16EB，而而NTFS在在典典型型硬件

14、上硬件上实际实际最大分区可以达到最大分区可以达到2TB。（4）支持文件压缩。支持文件压缩。（5）支持族的再映射。）支持族的再映射。（6）支持）支持Macintosh文件。文件。（7）支支 持持 POSIX需需 求求 NTFS是是 Windows POSIX.1兼容支持的文件系兼容支持的文件系统统。返回本节7.5 UNIX文件系统索引结构介绍文件系统索引结构介绍1UNIX系统的文件类型系统的文件类型2文件系统的目录结构文件系统的目录结构3文件的物理结构文件的物理结构4文件逻辑块号到物理块号的转换文件逻辑块号到物理块号的转换返回首页1UNIX系统的文件类型系统的文件类型nUNIX系系统统中的文件分

15、中的文件分为为3种种类类型：型：n目录文件目录文件n普通文件普通文件n特殊文件（或称设备文件）特殊文件（或称设备文件）2文件系统的目录结构文件系统的目录结构nUNIX文文件件系系统统采采用用的的是是多多级级的的树树形形目目录录结结构构。整整个个目目录录就就像像一一棵棵倒倒挂挂的的树树，根根目目录录在在最最上上面面。下下面面有有树树干干树树枝枝（目目录录、子子目目录录），有有树树叶叶（文文件件）。特特殊殊文文件件存存放放在在一一级级子子目目录录/dev中中，其其他他所所有有各各级级目目录录中中存存放放的的全全是是普通文件和目普通文件和目录录文件。文件。3文件的物理结构文件的物理结构n在在UNIX

16、系系统统中中，文文件件的的数数据据存存储储在在离离散散的的磁磁盘盘块块中中，这这些些文文件件的的盘盘块块号号直直接接或或间间接接地地存存放放在在该该文文件件索索引引节节点点的的13个个地地址址中中。索索引引节节点中的直接点中的直接块块和和间间接接块块如如图图7.4所示。所示。（1）直接）直接寻寻址方式。址方式。（2）一）一级间级间接接寻寻址方式。址方式。（3）多级间接寻址方式。）多级间接寻址方式。图7.4 索引节点中的直接块和间接块4文件逻辑块号到物理块号的转换文件逻辑块号到物理块号的转换（1）直接地址）直接地址（2）间间接地址。接地址。n一级间接地址寻址一级间接地址寻址n多级间接地址寻址（如

17、图多级间接地址寻址（如图7.5所示所示）图7.5 文件索引节点中的磁盘地址返回本节7.6 Linux文件系统文件系统n7.6.1 EXT2文件系统文件系统n7.6.2 EXT2索引节点索引节点n7.6.3 EXT2超级块超级块n7.6.4 EXT2中的目录中的目录 返回首页7.6.1 EXT2文件系统文件系统图7.6 EXT2文件系统结构示意图 返回本节7.6.2 EXT2索引节点索引节点数据数据数据数据数据数据数据数据数据结构ext2_inodeModeSizeOwner infoTimestampsDirect BlocksIndirect BlocksDouble IndirectTri

18、ple IndirectDataBlocks图7.7 EXT2文件系统索引节点示意图 返回本节7.6.3 EXT2超级块超级块n超超级块级块主要包括如下信息：主要包括如下信息：（1）幻数（）幻数（Magic Number）（2）修修订级别订级别（Revision Level）（3）挂挂接接数数（Mount Count）和和最最大大挂挂接接数数（Maximum Mount Count）（4）块组块组号（号（Block Group Number）（5）块块大小（大小（Block Size）（6）每）每组块组块数数（Blocks per Group）（7）空）空闲块闲块（Free Blocks）（8

19、）空）空闲闲索引索引节节点（点（Free Inodes）（9）第一个索引节点（）第一个索引节点（First Inode）返回本节7.6.4 EXT2中的目录中的目录n在在ext2文文件件系系统统中中，目目录录是是一一些些特特殊殊的的文文件件，它它们们用用来来创创建建和和保保存存系系统统中中文文件件的的存存取取路路径径（如如图图7.8所所示示）。一一个个目目录录文文件件包包括括很很多多的的目目录录入口，一个目入口，一个目录录入口包括以下内容：入口包括以下内容：（1）索引）索引节节点（点（inode）（2）名称）名称长长度（度（name length）（3）名称（）名称（name）0155i1i2

20、15555514文件名长文件名索引节点表图7.8 EXT2文件系统目录结构示意图返回本节7.7 UNIX NFS文件系统文件系统nNFS最最主主要要的的特特点点是是它它的的健健壮壮性性。在在客客户户和和服服务务器器之之间间产产生生的的每每个个请请求求本本身身是是完完整整的的，不必知道以前的不必知道以前的执执行情况。行情况。nNFS主主要要的的缺缺憾憾是是它它的的设设计计本本身身是是不不安安全全的的。这这就就要要求求在在任任何何时时候候通通过过NFS将将磁磁盘盘共共享享给给其其他他的的计计算算机机时时，需需要要给给该该计计算算机机的的用用户户一一定的信任度。定的信任度。nNFS的的两两个个主主要

21、要文文件件是是：/etc/exports和和/etc/fstab文件。文件。返回首页7.8 Windows NT 存储管理的二级页表结构存储管理的二级页表结构nWindows NT运运行行在在32位位的的微微机机上上，因因此此每每个个进进程程都都有有4GB的的虚虚拟拟地地址址空空间间（如如图图7.9所所示）。示）。nWindows NT的的地地址址变变换换机机构构不不同同与与传传统统的的页页面面地地址址变变换换机机构构，它它采采用用的的是是一一种种称称为为二二级页级页表表结结构的技构的技术术（如（如图图7.10所示）。所示）。n某某进进程程的的二二级级页页表表及及虚虚拟拟地地址址如如图图7.1

22、1所所示示，Windows NT采采用用两两级级页页表表的的缺缺点点是是降降低低了了访问内存的速度。访问内存的速度。返回首页非页交换区页交换区直接映射地址页面交换区00000000h80000000hFFFFFFFFh0.5GB0.5GB系 统 存 储 区（2GB）用 户 存 储 区（2GB）图7.9 虚拟地址空间012 1122 2131目录位移页表位移页位移虚 拟 地址页目录地址控制寄存器代码或数据页帧页表页 帧 地址页目录（每进程一个）页 表 地址图7.10 二级页表地址变换结构00400800000C00400800000C00400800000C代码或数据020页目录页表页帧0020

23、03020虚拟地址011213100248110控制寄存器3100248#00680#00726#0068000726图7.11 地址变换过程举例 返回本节7.9 Linux 系统的内存管理技术系统的内存管理技术（1）采用缓冲区高速缓存来保存块设备驱动程序所）采用缓冲区高速缓存来保存块设备驱动程序所用到的数据缓冲区。用到的数据缓冲区。（2）Linux系系统统采用采用页页面高速面高速缓缓存来加速磁存来加速磁盘盘中文件中文件镜镜像和数据的存取。像和数据的存取。（3）Linux系统采用交换高速缓存只将那些被修改过系统采用交换高速缓存只将那些被修改过的页面保存到交换文件中。的页面保存到交换文件中。（4

24、）将一个常用的硬件高速）将一个常用的硬件高速缓缓存放在存放在处处理器中，它理器中，它一般用来保存一般用来保存页页面表的入口（面表的入口（如图如图7.12所示）。所示）。返回首页第一级第二级第三级页面中字节物理页面第一级页面表PFN第二级页面表PFN第三级页面表PFNPGD图7.12 虚拟内存地址示意图 返回本节7.10 UNIX内存管理技术内存管理技术n交交换换空空间间的的管管理理。在在UNIX系系统统中中分分配配交交换换空空间间是是通通过过驻驻留留在在内内存存中中的的交交换换映映射射表表来来实现的。实现的。n进进程程的的换换出出。当当内内核核需需要要内内存存空空间间时时，就就可以把一个进程换

25、到交换区中。可以把一个进程换到交换区中。n进进程程的的换换入入。引引用用计计数数值值为为0的的进进程程即即为为交交换进程。换进程。返回首页nUNIX系系统统为为实实现现该该技技术术所所配配置置的的4种种数数据据结结构：构：（1）页表）页表（2）磁盘块描述表（）磁盘块描述表（如如图图7.13所示）所示）（3）页框数据表）页框数据表（4）交换使用表（如图交换使用表（如图7.14所示）所示）页表项磁盘块描述表项磁盘块描述表交换设备块号类型（交换、文件等）分区表图7.13 页表项和磁盘块描述表图7.14 请求分页4种数据结构之间的关系 返回本节7.11 UNIX I/O设备管理设备管理nUNIX操作系

26、统将设备分为两类：块设备和操作系统将设备分为两类：块设备和字符设备。所谓块设备是指用于存储信息且字符设备。所谓块设备是指用于存储信息且信信 UNIX系系统统的的设备设备管理主要有两个特点：管理主要有两个特点：n第一个特点是：第一个特点是：UNIX将各类设备当作文件将各类设备当作文件来管理。第二个特点是：来管理。第二个特点是：UNIX设备管理采设备管理采用了缓冲技术。用了缓冲技术。（1）块设备缓冲。）块设备缓冲。（2）字符设备缓冲区。字符设备缓冲区。返回首页7.12 Linux I/O设备管理设备管理n设备管理的一个基本目标就是对设备的抽象设备管理的一个基本目标就是对设备的抽象处理。处理。一个一

27、个设备驱动设备驱动程序控制的所有程序控制的所有设备设备有有一个相同的主一个相同的主设备设备号，通号，通过过不同的从不同的从设备设备号号来区分来区分设备设备和它和它们们的控制器。的控制器。Linux系系统统使使用主用主设备设备号和系号和系统统中的一些表来将系中的一些表来将系统调统调用用中使用的中使用的设备设备文件映射到文件映射到设备驱动设备驱动程序中。程序中。nLinux系统支持三种类型的硬件设备：字符系统支持三种类型的硬件设备：字符设备、块设备、网络设备。设备、块设备、网络设备。返回首页本章小结本章小结n针针对对前前6章章介介绍绍的的操操作作系系统统的的功功能能，本本章章以以UNIX、Linu

28、x、Windows NT操操作作系系统统为为实实例例，具具体体介介绍绍操操作作系系统统的的进进程程管管理理、内内存存管管理理、文文件件管管理理与与I/O设设备备管管理理在在上上述述三三种种操操作作系系统统中中的的应应用用，具具体体的的应应用用是是理理论论知知识识的的印印证证，而而应应用用的的细细节节与与理理论论之之间间又又是是创创新新的的关关系系。本本章章介介绍绍的的UNIX进进程程状状态态转转换换与与控控制制就就与与理理论论介介绍绍中中的的进进程程管管理理有有较较大大差差别别；Windows NT的的二二级级页页表表结结构构也也是是对对理理论论介介绍绍中中的的页页式式系系统统的的改改进进，而而UNIX文文件件系系统统的的深深入入介介绍绍也也是是对对文文件件系系统统中中文文件件物物理理结结构构的的补补充充。通通过过本本章章的的学学习习，可可以以在在更更深深的的层层面面上上了了解解操操作作系系统统及及系系统统程程序序的的设设计计方方法法，对对创创新新思思维维人才的培养大有裨益。人才的培养大有裨益。