Linux0.11之文件系统

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PCB

操作系统感知和管理进程通过PCB，进程运行在内存中，是直接关系

进程与文件系统的关系如何建立？

进程的可执行映像是文件；

进程对辅存读写也主要基于文件。

内存与辅存间交换信息需要建立内存缓冲区

几大核心模块能够有机的建立联系

X86体系从硬件上支持任务间的切换。

任务状态段(TSS)，它和数据段、代码段一样也是一种段。

任务切换的时候，CPU会将原寄存器的内容写出到相应的TSS，同时将新TSS的内容填到寄存器中，这样就实现了任务的切换。

进程打开文件时数据结构的建立

打开文件

将用户进程打开的文件（句柄fd）在filp[20]中进行登记

建立filp[fd]与内核中的file_table[64]进行连接

将要打开文件的i节点在file_table[64]中进行登记

将新打开的i节点登记到inode_table[32]

通过inode_table[32]掌控正在使用的文件i节点数

打开文件的本质就是要建立*filp[20]、file_table[64]、inode_table[32]三者之间的关系

创建一个与父进程不同的子进程

使用fork创建一个子进程核心过程包括：创建进程控制块、分配内存、IO系统、文件访问。

这个过程没有通过文件系统访问块设备，fork创造子进程与父进程完全相同

fork创建一个子进程，返回pid(=0子进程中）

在子进程中执行shell终端程序(/bin/sh)

sh也只是一个正常的具有main函数的可执行程序，其读取用户在命令行输入的程序名以及相应参数，然后fork出一个子进程去execve这个程序，子程序执行完成后又回到命令行等待输入，

execve(“/bin/sh”,argv,envp)函数是关键

execve→ sys_execve → do_execve (exec.c)

函数的参数是通过堆栈传递的，返回地址是在call语句时被压入堆栈的，返回值通过eax传递。

期末真题

2024春

六、综合分析题。（9分）

设系统采用MINIX文件系统，盘块大小为1KB，时间片大小为10ms，采用段页式存储管理，二级页表。你有一个C语言源文件mytest.c，内含printf语句，大小为6KB。现用gcc -o mytest mytest.c编译之，并运行之。该程序运行时间为30ms，并且会将打印结果输出到日志文件./log中，大小为1MB。试从进程管理，进程调度，文件管理，虚拟内存管理等角度详细阐述该进程运行的全过程。

一、进程管理角度

（一）编译阶段

Shell 进程解析命令行，fork 出一个子进程；

子进程执行 execve("/usr/bin/gcc", argv, envp)；

在 do_execve 过程中：

清空原进程地址空间；

加载 gcc 可执行文件（段页式映射）；

为代码段、数据段分配页表；

在 PCB 中设置新程序入口地址。

gcc 进程开始运行，编译 mytest.c。

（二）运行阶段

当用户执行 ./mytest > ./log：

Shell 再次 fork 出子进程；

子进程执行 execve("./mytest", argv, envp)；

文件描述符重定向：stdout（fd=1） → 打开文件 ./log；

filp[fd] → file_table[64] → inode_table[32] 连接建立（PPT中的三层结构）。

内核在 PCB 中记录：

可执行文件 inode；

文件指针 filp 数组（含 stdout → log）。

二、进程调度角度

系统采用时间片轮转调度（时间片 10ms）；

程序运行 30ms ⇒ 占用 3 个时间片；

调度器每 10ms 调用 schedule()：

保存当前进程寄存器状态到 TSS；
从就绪队列中选出下一个进程；
加载其 TSS 寄存器值，实现任务切换；
更新 PCB 的时间片剩余量；

CPU 在运行 mytest、Shell、日志 I/O 缓冲进程之间交替切换。

三、文件管理角度

（1）编译阶段

gcc 打开：

源文件 mytest.c（读）；
输出目标文件 mytest（写）；

打开文件过程：

在进程的 filp[20] 数组中找空闲项；

在 file_table[64] 找空闲项；

通过路径解析找到对应 inode；

在 inode_table[32] 中登记；

建立三层链接（filp → file_table → inode）。

（2）运行阶段

执行 printf 时，数据写入标准输出（stdout）；

因为重定向，stdout 实际连接到日志文件的 inode；

缓冲区数据通过 write() 写入磁盘：

若缓冲区满 → 写入磁盘块；
MINIX 分配 1MB / 1KB = 1024 个数据块；
每个数据块通过逻辑块位图分配；
日志文件的 inode 包含直接块、间接块指针（存放数据块地址）。

四、虚拟内存管理角度（段页式 + 二级页表）

程序运行时：

段表包含代码段、数据段、堆栈段；

每个段再分页（4KB 页）。

程序大小 6KB → 占用 2 页；

页表映射：

二级页表记录物理页号；

执行过程中若访问的页不在内存：

触发缺页中断；

操作系统在物理内存中分配页框；

从可执行文件（磁盘）读入相应页；

更新页表项，重新执行指令。

2020春

六、综合题（10分）

假设当前操作系统采用段页式内存管理，并使用二级页表，页大小为4K，物理内存中已有多个进程且实际物理内存的未分配空间为14K。现有一个编译好的程序test放在一个指定的路径下，其大小为18K，此程序的运行至少需要两个时间片。请结合你所学过的进程管理、内存管理、文件管理等操作系统知识，详细描述该程序从创建进程到运行结束，操作系统所做的主要操作有哪些。

一、创建进程阶段

用户在 Shell 中输入命令 ./test；

Shell 执行 fork()：

复制父进程的 PCB；

复制页表结构（写时复制）；

子进程获得新 PID；

子进程执行 execve("./test")：

清空原地址空间；

根据可执行文件头建立新的段（代码段 + 数据段 + 栈段）；

建立段表与二级页表；

装载前几页（例如 3 页共 12KB）入内存；

剩余部分在磁盘等待按需调入。

二、内存管理阶段

页大小 = 4KB，程序 = 18KB → 需要 5 页；

可用物理内存 = 14KB → 可装入 3 页；

执行时发生：

访问未加载页 → 触发缺页中断；
操作系统从磁盘读入对应页；
若内存不足 → 页面置换算法（如 LRU）；

二级页表用于多级索引，节省空间：

一级表存放页目录；
二级表存放页表项（记录物理页号、权限、存在位）。

三、进程调度阶段

时间片 = 10ms；

程序运行至少两个时间片 → CPU 至少两次分配给该进程；

每次时间片用完：

调度程序保存寄存器状态（写入 TSS）；
从就绪队列选择下一个进程；
恢复上下文切换；

如果 test 进程等待 I/O（如磁盘页调入），会进入阻塞状态。

四、文件系统阶段

execve 调用时：

根据路径解析文件名 → inode（通过目录项找到）；
inode 表示 test 文件的元信息（大小、权限、数据块号）；
系统读取该文件的数据块到内存；
建立可执行映像；

进程运行期间可能打开输出文件或库文件，系统在 filp[20]、file_table[64]、inode_table[32] 中建立对应关系。

五、进程结束阶段

程序执行完毕，调用 exit()：

释放用户空间页；

回收页表、inode 引用；

写回文件缓冲区；

更新 PCB 状态为 ZOMBIE；

父进程调用 wait() 收集退出码；

操作系统最终回收 PCB、TSS、文件表项。

2014

六．Linux0.00上已实现随机打印‘A’、‘B’的两个进程，如果要再实现打印‘D’的进程应该怎么做。说明你的设计和改变，并说明为什么这样做。