除了葉子節(jié)點外，其他節(jié)點都表示目錄名；目錄節(jié)點包含它下面的文件及目錄所有的信息。

文件名長度一般限制在 255個字符內(nèi)；同一個目錄下的文件名不能相同

Unix進(jìn)程有一個當(dāng)前工作目錄，屬于進(jìn)程執(zhí)行上下文，用于標(biāo)識進(jìn)程所用的文件目錄。同時，進(jìn)程使用路徑名（Path Name）標(biāo)識特定的文件。

"."表示當(dāng)前工作目錄；“..”表示父目錄

2.2軟鏈接與硬鏈接

包含在目錄中的文件名就是一個文件的硬鏈接（Hard Link），簡稱鏈接。

在同一個目錄或者不同的目錄中，同一個文件可以有多個鏈接，因此對應(yīng)多個文件名。

一個文件可以對應(yīng)多個文件名，而一個文件名就是一個鏈接

$ ln P1 P2 #為由路徑 P1標(biāo)識的文件創(chuàng)建一個路徑名為 P2的硬鏈接

硬鏈接有兩個限制：

.不允許給目錄創(chuàng)建硬鏈接：會使得目錄樹變成環(huán)形圖，導(dǎo)致不能通過文件名定位文件

.只有在同一個文件系統(tǒng)中的文件之間才能創(chuàng)建鏈接：Unix系統(tǒng)中可能包含了多種文件系統(tǒng)

為了突破上面的兩個限制，引入了軟鏈接（Soft Link），也稱為符號鏈接。符號鏈接是短文件（軟鏈接也是文件），包含另一個文件的任意一個路徑名。路徑名可以指向任意文件系統(tǒng)的任意文件或者目錄，甚至可以指向一個不存在的文件。

$ ln -s P1 P2 #創(chuàng)建一個路徑名為 P2的軟鏈接，P2指向路徑名 P1；對 P2的引用都自動轉(zhuǎn)化為對 P1的引用

總結(jié)：硬鏈接相當(dāng)于對源文件的直接引用，軟鏈接是對源文件的間接引用。

2.2文件類型

Unix文件類型分為：

·普通文件

·目錄

·符號鏈接

·面向塊的設(shè)備文件

·面向字符的設(shè)備文件

·管道 &命名管道

·套接字

前三種是基本的文件類型；設(shè)備文件與 IO設(shè)備及相關(guān)驅(qū)動程序有關(guān)；管道與套接字是用于進(jìn)程間通信的特殊文件。

2.3文件描述符與索引節(jié)點

Unix文件的內(nèi)容與文件描述信息是分開存儲的：

.文件內(nèi)容是由字節(jié)序列組成，不包含任何控制信息，如文件長度等

.文件的描述信息存儲在索引節(jié)點（Index Node）中，每個文件都有自己的索引節(jié)點；文件系統(tǒng)用索引節(jié)點來標(biāo)識文件

索引節(jié)點中包含的信息有：

·文件類型

·與文件相關(guān)的硬鏈接個數(shù)

·以字節(jié)為單位的文件長度

·在文件系統(tǒng)中用于標(biāo)識文件的索引節(jié)點號

·文件擁有者的 UID

·文件的用戶組 ID

·訪問權(quán)限和文件模式

2.4文件操作的系統(tǒng)調(diào)用

當(dāng)用戶訪問文件內(nèi)容時，實際上是訪問存儲在硬件塊設(shè)備上的數(shù)據(jù)。由于處于用戶態(tài)的進(jìn)程不能直接與底層硬件交互，所以每次文件操作必須在內(nèi)核態(tài)下進(jìn)行。

2.4.1打開文件

fd = open(path, flag, mode); // flag指定打開文件的方式（讀，寫，追加）

該系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個“打開文件”對象，并返回文件描述符。

其中，打開文件對象包括：

·文件操作的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：表示文件當(dāng)前位置的 offset；指定文件打開方式的一組標(biāo)識

·進(jìn)程可以調(diào)用的一些內(nèi)核函數(shù)指針

文件描述符表示進(jìn)程與打開文件之間的交互，而打開的文件對象包含了與這種交互相關(guān)的數(shù)據(jù)。

同一個打開文件對象可以由同一個進(jìn)程的幾個文件描述符標(biāo)識

多個進(jìn)程同時打開一個文件時，文件系統(tǒng)會給每個進(jìn)程分配一個單獨的打開文件對象與單獨的文件描述符。

2.4.2訪問打開的文件

對于普通的 Unix文件，可以順序訪問，也可以隨機訪問；默認(rèn)是順序訪問。

內(nèi)核把文件指針存放在打開文件對象中

read（）與write()是從文件指針的當(dāng)前位置開始操作；如果需要更新文件指針的值，必須顯示調(diào)用lseek()。

2.4.3關(guān)閉文件

res = close(fd);

該方法用于釋放與文件描述符相對應(yīng)的打開文件對象。

進(jìn)程終止時，內(nèi)核會關(guān)閉所有仍然打開的文件

2.4.4重命名與刪除文件

res = rename(oldPath, newPath); //更新了文件鏈接的名字

res = unlink(pathName); //減少文件鏈接數(shù)，刪除了對應(yīng)的目錄項；當(dāng)鏈接數(shù)為 0時，文件才會被真正刪除

刪除與重命名文件時，并不需要打開文件。這兩個操作并沒有對文件的內(nèi)容進(jìn)行更新，而是對目錄的內(nèi)容進(jìn)行了更新。

3. Unix內(nèi)核概述

3.1進(jìn)程/內(nèi)核模式

正如之前描述的，CPU既可以運行在用戶態(tài)，也可以運行在內(nèi)核態(tài)。當(dāng)應(yīng)用程序在用戶態(tài)下執(zhí)行時，不能直接訪問內(nèi)核的數(shù)據(jù)機構(gòu)與程序；當(dāng)應(yīng)用程序運行在內(nèi)核態(tài)下是，便沒有這些限制。

CPU模型為從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)提供了特殊的指令，反之亦然

進(jìn)程是動態(tài)的實體，通常只有有限的生命周期。

內(nèi)核本身并不是進(jìn)程，而是進(jìn)程的管理者。對于進(jìn)程/內(nèi)核模式假設(shè)：請求內(nèi)核服務(wù)的進(jìn)程使用系統(tǒng)調(diào)用（System Call）的特殊編程機制。每個系統(tǒng)調(diào)用都設(shè)置了一組識別進(jìn)程請求的參數(shù)，然后執(zhí)行與硬件相關(guān)的 CPU指令完成從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換。

除了用戶進(jìn)程外，Unix系統(tǒng)還包括了幾個內(nèi)核線程的特權(quán)進(jìn)程，特點如下：

·以內(nèi)核態(tài)運行在內(nèi)核地址空間

·不與用戶直接交互

·系統(tǒng)啟動時創(chuàng)建，一直處于活躍狀態(tài)直到系統(tǒng)關(guān)閉

有幾種方式可以使進(jìn)程進(jìn)行用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換：

.進(jìn)程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用

.正在執(zhí)行進(jìn)程的 CPU發(fā)出一個異常（Exception）信號（如無效的指令），由內(nèi)核代表產(chǎn)生異常的進(jìn)程處理異常

.外圍設(shè)備向 CPU發(fā)出一個中斷信號（Interrupt）以通知時間的發(fā)生（如 IO操作已完成）；中斷信號交由內(nèi)核中的中斷處理程序來處理

.內(nèi)核線程被執(zhí)行：內(nèi)核線程運行在內(nèi)核態(tài)

3.2進(jìn)程實現(xiàn)

每個進(jìn)程都由一個進(jìn)程描述符（Process Descriptor）表示，該描述符包含了進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)的信息。

當(dāng)進(jìn)程暫停時，就把相關(guān)寄存器中的內(nèi)容保存在進(jìn)程描述符中，寄存器包括：

·程序計數(shù)器 &棧指針寄存器

·通用寄存器

·浮點寄存器

·包含 CPU狀態(tài)信息的處理器控制寄存器

·用來跟蹤進(jìn)程對 RAM訪問的內(nèi)存管理寄存器

當(dāng)進(jìn)程被重新恢復(fù)執(zhí)行時，內(nèi)核將進(jìn)程描述符中對應(yīng)的字段裝載到 CPU寄存器中。

當(dāng)進(jìn)程等待某一個事件時，會被置入進(jìn)程描述符等待隊列中等待事件的發(fā)生。

3.3可重入內(nèi)核

Unix內(nèi)核是可重入（Reentrant）的，是指多個進(jìn)程可以同時在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行。

在單處理器系統(tǒng)上只有一個進(jìn)程在運行，但是可以有多個進(jìn)程在內(nèi)核態(tài)下被阻塞，比如等待 CPU或者 IO操作完成

如果發(fā)生硬件中斷，可重入內(nèi)核就可以掛起正在執(zhí)行的進(jìn)程去響應(yīng)中斷，即使該進(jìn)程正處于內(nèi)核態(tài)。這種實現(xiàn)方式能夠提高發(fā)出中斷的設(shè)備控制器的吞吐量，否則該設(shè)備需要一直等待 CPU直到 CPU重新從內(nèi)核態(tài)切換為用戶態(tài)。

內(nèi)核控制路徑（Kernel Control Path）是指內(nèi)核處理系統(tǒng)調(diào)用，異?；蛘咧袛嗨鶊?zhí)行的指令序列。而可重入性內(nèi)核可以使得 CPU交錯執(zhí)行內(nèi)核控制路徑。

上圖顯示了交錯與非交錯的內(nèi)核控制路徑；其中

·User：在用戶態(tài)下運行一個進(jìn)程

·Excp：運行一個異常處理程序或者系統(tǒng)調(diào)用程序

·Intr：運行一個中斷處理程序

3.4進(jìn)程地址空間

進(jìn)程運行在私有地址空間中。處于用戶態(tài)的進(jìn)程涉及到私有棧，數(shù)據(jù)區(qū)，代碼區(qū)；處于內(nèi)核態(tài)的進(jìn)程訪問內(nèi)核的數(shù)據(jù)區(qū)，代碼區(qū)，但是使用另外的私有棧。

每個內(nèi)核控制路徑都引用自己的私有內(nèi)核棧

進(jìn)程間也能共享部分地址空間，實現(xiàn)進(jìn)程間通信。另外，Linux支持存在在磁盤上的文件部分映射到進(jìn)程的部分地址空間中。

3.5同步與臨界區(qū)

為了實現(xiàn)可重入內(nèi)核，需要引入同步機制，以防止不同的內(nèi)核控制路徑對同一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問出現(xiàn)不一致的狀態(tài)。

對全局變量的安全訪問一般是通過原子操作（Atomic Operation）實現(xiàn)。臨界區(qū)（Critical Region）是指存在這樣一段代碼，進(jìn)入這段代碼的進(jìn)程必須完成，之后另一個進(jìn)程才能進(jìn)入。

常見的幾種同步內(nèi)核控制路徑的方式：

3.5.1非搶占式內(nèi)核

當(dāng)進(jìn)程在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行時，不能被任意掛起，也不能被其他進(jìn)程搶占。這樣，在單處理器系統(tǒng)中，中斷或者異常處理程序便不能修改內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保證了數(shù)據(jù)的一致性。

局限：

.對于多處理器系統(tǒng)，非搶占式方式仍然不能避免不同 CPU上的內(nèi)核控制路徑并發(fā)訪問同一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

.非搶占式內(nèi)核會降低系統(tǒng)的執(zhí)行效率

3.5.2禁止中斷

單處理器系統(tǒng)中還有一種同步機制：在進(jìn)入臨界區(qū)前禁止所有硬件中斷，離開后再重新啟用中斷。

局限：

.如果臨界區(qū)執(zhí)行耗時比較大，那么在較長時間內(nèi)會使得硬件處于凍結(jié)狀態(tài)

.禁止中斷只會對本地 CPU起作用，在多處理器系統(tǒng)中，還需要結(jié)合其他同步方式

3.5.3信號量

信號量（Semaphore）是一個廣泛使用的同步機制；其僅僅是一個與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（臨界區(qū)）相關(guān)的計數(shù)器，所有內(nèi)核線程在訪問這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之前都需要檢查信號量。信號量可以看作一個對象，組成如下：

·一個整數(shù)變量

·一個等待進(jìn)程的鏈表

·兩個原子方法：down() & up()

do態(tài)：受影響的進(jìn)程或者內(nèi)核控制路徑完全處于凍結(jié)的狀態(tài)。

為了減少內(nèi)核控制路徑交錯執(zhí)行時出現(xiàn)死鎖的概率，有些操作系統(tǒng)通過按規(guī)定的順序請求信號量來避免死鎖。

3.6信號與進(jìn)程間通信

Unix信號（Signal）是一種把系統(tǒng)事件上報給進(jìn)程的機制。系統(tǒng)事件分為兩種

.異步通告：如終端輸入 ctrl-c，內(nèi)核會向前臺進(jìn)程發(fā)出中斷信號

.同步錯誤或者異常：如進(jìn)程訪問內(nèi)存非法地址時，內(nèi)核會向進(jìn)程發(fā)送異常信號

進(jìn)程對收到的信號的處理方式有：

.忽略該信號

.異步地執(zhí)行一個指定的過程（信號處理程序）

同時，如果進(jìn)程不指定處理方式，內(nèi)核就會根據(jù)信號類型的不同，有五種默認(rèn)的執(zhí)行操作：

·終止進(jìn)程

·將進(jìn)程上下文與地址空間 core dump，并終止進(jìn)程

·忽略信號

·掛起進(jìn)程

·恢復(fù)進(jìn)程

Unix在用戶態(tài)下的進(jìn)程間通信機制有：信號量，消息隊列，共享內(nèi)存等。

該信號量與內(nèi)核中的信號量類似，之不過是在用戶態(tài)下；消息隊列可以通過指定的隊列允許進(jìn)程之間交換消息；共享內(nèi)存為進(jìn)程之間交換和共享數(shù)據(jù)提供了最快的方式。

3.7進(jìn)程管理

系統(tǒng)調(diào)用fork()：創(chuàng)建新的進(jìn)程；_exit()：終止進(jìn)程；exec()：裝入一個新的程序。

3.8內(nèi)存管理

3.8.1虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存（Virtual Memory）是一種抽象，作為一種邏輯層處于應(yīng)用程序內(nèi)存請求與硬件內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit）之間；虛擬內(nèi)存的優(yōu)勢有：

·多個進(jìn)程可以并發(fā)執(zhí)行

·應(yīng)用程序所需的內(nèi)存大于實際可用物理內(nèi)存時也可以運行

·程序只有部分代碼裝入內(nèi)存時進(jìn)程也可以執(zhí)行

·允許進(jìn)程訪問可用物理內(nèi)存的子集

·程序可重定位（可以把程序放在物理內(nèi)存的任何地方）

標(biāo)簽：