Linux Por Dentro

8/14/2019 Linux Por Dentro

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Linux Internals:

Linux Visto por Dentro

por

Luiz Paulo Maia

[email protected]


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Luiz Paulo Maia

Mestre em Informtica pelo NCE/UFRJ, ps-

graduado em marketing pela PUC-Rio e graduado

em Informtica pela PUC-Rio

Trabalhou na Elebra, atual HP, Light e ANP, alm de

scio-diretor da Training Autor dos livros Arquitetura de Sistemas

Operacionais e Arquitetura (4ed., LTC, 2007) de

Redes de Computadotes (1ed., LTC, 2009)

Autor do simulador SOsim

Coordenador da Graduao de Gesto da TI do

Infnet, alm das formaes em Microsoft e Linux


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Sumrio

Histrico

Caractersticas

Arquitetura do Sistema

Processos e Threads

Gerncia do Processador

Gerncia de Memria

Sistema de Arquivos

Gerncia de Entrada/Sada


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Histrico

1

9

7

6

1

9

6

9

U N I C S

1

9

7

1

U N I X V 1

U N I X V 6

1

9

8

8

1

9

7

9

U N I X V 7

1

9

8

1

S y s te m I I I

1

9

8

2

S y s t e m V

1

9

8

4

S V R 2

1

9

8

6

S V R 3

S V R 4

1

9

9

2

S V R 4 . 2

X e n i x

M i n i x

A I XC h o r u s

S C O U n i x

L i n u x

U n i x W a r e

1 B S D

1

9

8

6

1

9

7

8

1

9

7

9

2 B S D

1

9

8

0 3 B S D4 B S D

1

9

8

1

4 . 1 B S D

1

9

8

3

4 . 2 B S D

4 . 3 B S D

1

9

9

3

4 . 4 B S D

U l t r i x

S u n O S

M a c h

I r i x

F r e e B S D

O p e n B S D

O S F / 1S o l a r i s


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Histrico

From: [email protected] (Linus Benedict Torvalds)

Newsgroups: comp.os.minix

Subject: What would you like to see most in minix?

Summary: small poll for my new operating system

Message-ID:

Date: 25 Aug 91 20:57:08 GMT

Organization: University of Helsinki

Hello everybody out there using minix -

I'm doing a (free) operating system (just a hobby, won't be big and

professional like gnu) for 386(486) AT clones. This has been brewing

since april, and is starting to get ready. I'd like any feedback on

things people like/dislike in minix, as my OS resembles it somewhat

(same physical layout of the file-system (due to practical reasons)

among other things).

I've currently ported bash(1.08) and gcc(1.40), and things seem to work.

This implies that I'll get something practical within a few months, and

I'd like to know what features most people would want. Any suggestions

are welcome, but I won't promise I'll implement them :-)


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Histrico

1991: desenvolvido inicialmente pelo

filands Linus Torvalds para um PC-386

1994: kernel 1.0

1996: kernel 2.0 e 2.1 1999: kernel 2.2.0 e 2.3.0

2001: kernel 2.4.0 e 2.5.0

2003: kernel 2.6.0

2004: kernel 2.2.26

2009: kernel 2.4.37.2 e 2.6.30.1


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Caractersticas

Mais de seis milhes de linhas de cdigoem C e assembly

Mais de 14.000 arquivos, ocupando mais de230 MB

Cdigo fonte disponvel sobre a licenaGNU GPL (General Public License)

No oferece interface grfica, utilitrios,compiladores, ferramentas de

gerenciamento Diversas distribuies: Red Hat, CentOS,

Fedora, Debian, Slackware, Ubuntu


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Caractersticas

Multiprogramao / Multitarefa

Multiusurio

Multiprocessamento simtrico

Suporte a sistemas NUMA

Kernel reentrante e carga de mdulos sob demanda

Interrupes e excees

Semforos e spin locks

Processos e threads (lightweight process)

Memria virtual, memria compartilhada e mapped

files


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Arquitetura do Sistema


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Processos e Threads

Processo a instncia de um programaem execuo

Por exemplo, se existem 16 usuriosutilizando o editor vi, existem, pelo

menos, 16 processos, um para cadausurio, porm os processos podemcompartilhar o mesmo cdigo executvelna memria (reentrncia)

Process descriptor a estrutura de dadosque materializa o processo dentro do SO epossui todas as informaes necessriaspara a execuo do processo


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Processos e Threads

Process descriptor

Estado

PID

Prioridade

Espao deendereamento

Terminais

associados

Arquivos abertos

Sinais recebidos

Ponteiros para

outras estruturas


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Processos e Threads

Processos so criados pela system call fork()

O processo que executa o fork() considerado o

processo pai e o processo criado o processo

filho

Processo filho herda o cdigo fonte e a rea dedados do processo pai, mas implementando a

tcnica de copy-on-write

Todos os processos so descendentes do

processo init, criado ao trmino do boot do SO

Processos so eliminados pela system call exit()

O programa a ser executado definido pela system

call exec()


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Processos e Threads

Os processos so

organizados em uma

lista duplamente

encadeada, chamada

task list


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Processos e Threads

Threads permitem que partes de cdigo do mesmoprocesso possam ser executadas concorrentementee compartilhem o mesmo espao de endereamento

Por exemplo, um editor de texto permite adigitao do texto, enquanto feita a correoortogrfica, o documento salvoperiodicamente, um outro documento impressoetc.

Threads so semelhantes a idia de processos esubprocessos, porm oferecem melhordesempenho, pois compartilham o mesmo espaode endereamento e outros recursos, como

arquivos O Linux utilizada o conceito de lightweight process,

implementado pela biblioteca POSIX pthread, emmodo usurio

Threads so criados pela system call clone()


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Processos e Threads

Estados e

mudanas de

estados


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Preempo por tempo

Cada processo possui uma fatia de tempo para executar

Ao trmino da fatia de tempo o processo retirado da

UCP e outro processo executado

O processo retirado poder voltar a executar

posteriormente

A fatia de tempo dinmica e depende da prioridade do

processo


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Preempo por tempo

Existem duas listas de processos prontos: Ativos: processos prontos que no esgotaram suas fatias

de tempo

Expirados: processos prontos que j esgotaram suas fatias

Os processos so colocados inicialmente na lista ativa Os processos quando sofrem preempo por tempo noperdem o restante da fatia de tempo e permacem nalista ativa

Quando o processo termina a sua fatia de tempo, colocado na lista expirada e recalculada a sua fatia de

tempo Os processos prontos na lista expirado seroexecutados apenas quando todos os outros processosesgotarem suas fatias de tempo


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Preempo por prioridade

Se um processo de maior prioridade

ficar pronto, o processo em execuo

interrompido, colocado no estado

de pronto e o processo de maior

prioridade assume o processador

Processos de mesma prioridade so

tratados no esquema de fila circular


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O algoritmo de escalonamento foi

complementamente alterado da verso do kernel

2.4 para a 2.6

Na verso 2.6, o nmero de processos

prontos no implica no tempo do

escalonamento

Os objetivos principais do escalonador so:

reduzir o tempo de resposta de aplicaes

interativas, aumentar o throughtput e evitar

starvation O escalonador tenta identificar o tipo do

processo: IO-bound ou CPU-bound, para

beneficiar os processos IO-bound


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Gerncia do processador

Nveis de prioridade

140 nveis, sendo zero a maior prioridadee 139 a menor

Prioridades entre 0 e 99 so chamadas

de tempo real: no existe fatia de tempo,logo no existe preempo por tempoapenas por prioridade

Prioridades entre 100 e 139 existem aspreempes por tempo e prioridade


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Escalonamento dinmico permite que o sistema

ajuste a prioridade dos processos

Todo processo tem uma prioridade esttica

atribuda quando o processo criado,

geralmente 120 ou nice(0) A prioridade dinmica calculada somando ou

diminuindo um valor da prioridade esttica

O valor dependenr do tempo que o processo

passa no estado de espera

Quanto mais tempo no estado de espera,maior o valor a ser subtrado da prioridade

esttica


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Gerncia de Memria

Memria virtual

Permite executar programas maiores que a memria

fsica (MF)

Permite criar estruturas de dados maiores que a MF

Apenas partes dos programas precisam estar na MF

Processos podem compartilhar bibliotecas,

utilitrios e programas na MF

Programas podem ser alocados em qualquer

posio da MF Permite carregar um nmero maior de processos na

MF


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Gerncia de Memria

Espao de endereamento virtual de 4 GB

(Intel 32 bits), 64 GB com PAE e 256 TB

(Intel 64 bits)

Traduo de endereos, utilizando tabelas

de pginas

Pginas de 4 KB (32 bits) ou 8 KB (64 bits)

Feito em hardware pela MMU (Memory

Management Unit) Paginao por demanda


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Gerncia de Memria

Mapeamento em dois

nveis para reduzir o

tamanho das tabelas

de mapeamento

Control register 3 (cr3)aponta para o incio da

tabela diretrio (TD)

A TD permite chegar na

tabela de pginas (TP)

A TP permite chegar noendereo na pgina

real (page frame)


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Gerncia de Memria

Processadores Intel de

64 bits exigem quatro

nveis de mapeamento


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Gerncia de Memria

O SO controla cada frame na MP utilizando um vetor

(mem_map)

Cada elemento do vetor chamado de page descriptor

(page) de 32 bytes

Cada page descriptor possui diversas informaes

sobre uma pgina especfica na MP


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Gerncia de Memria

Page descriptor

Campo _count um contador

Se o valor -1 o frame est livre

Se o campo for maior ou igual a zero o frame

est em uso

Flag PG_locked indica que o frame est

bloqueado

Flag PG_reference indica que o frame foi

referenciado recentemente

Flag PG_dirty indica se a pgina foi

modificada


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Gerncia de Memria

Page Frame Reclaiming Algorithm (PFRA)

Responsvel por manter um nmero mnimo de

pginas livres para o SO continuar funcionando

adequadamente

O PFRA seleciona a pgina a ser liberadaconforme o seu contedo

Por exemplo, melhor liberar pginas no

modificadas do que as modificadas

Pginas modificadas devem ser gravadas em

disco (page out) antes de liberadas O PFRA seleciona a pgina que tem a menor

chance de ser referenciada novamente,

utilizando o algoritmo LRU (Least Recently Used)


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Gerncia de Memria

Least Recently Used (LRU)

O sistema mantem duas listas depginas

Pginas ativas: contem pginas acessadas

recentemente Pginas inativas: contem pginas no

acessadas recentemente

As pginas trocam de listas em funodo tempo e se foram referenciadas (flag

PG_reference) Periodicamente, as pginas da lista de

inativas so liberadas


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Gerncia de Memria

Page Frame Reclaiming Algorithm (PFRA)

Se a quantidade de memria livre

continuar baixa acionado o Out Off

Memory Killer (OOMK)

OOMK ir selecionar um processo

(vtima) e elimin-lo, para liberar todas as

suas pginas na MP


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Gerncia de Memria

Swapping

Antes das pginas na memria serem liberadas,

as pginas devem gravadas em disco (page out)

Geralmente pginas modificadas

Quando a pgina novamente referenciadaocorre a leitura da pgina em disco para a

memria (page in)

A rea de swapping pode ser uma partio

inteira ou um arquivo em uma partio

Podem exitir ao mesmo tempo vrias reas deswap

Pode ser desativado


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Sistema de Arquivos

Existem diversos sistemas de arquivos

para o Linux, sendo os mais utilizados o

Ext2 (Second Extended Filesystem) e Ext3

Os dois sistemas de arquivos so

compatveis, sendo a grande diferena o

esquema de journaling oferecido pelo Ext3

Journaling permite recuperar mais

rapidamente um filesystem aps alguma

interrupo no sistema, como uma faltade energia


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Sistema de Arquivos

Caractersticas do Ext2

Permite definir o tamanho do bloco (1 KB

a 4 KB). Blocos pequenos reduzem a

fragmentao, porm blocos grandes

reduzem o nmero de transferncias

Permite definir o nmero de inodes na

partio

Permite reduzir o tempo de busca de

arquivos

Realiza a pr-alocao de blocos para

evitar a fragmentao dos arquivos


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Sistema de Arquivos

Formato de um filesystem Ext2


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Sistema de Arquivos


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Gerncia de E/S


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Referncias: Livros e Papers

Linux Kernel Development, 2 ed., Robert

Love, Sams Publishing, 2005

Understanding the Linux Kernel, 3 ed.,

Daniel Bovet, Marco Cesati, ORelly, 2005 Professional Linux Kernel Architecture,

Wolfgang Mauerer, Wrox, 2008

Understanding the Linux 2.6.8.1 CPU

Scheduler, Josh Aas, SGI, 2005


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Referncias: Sites

www.levenez.com/unix/

www.kernel.org

www.gnu.org

www.distrowatch.com


40/40

www.infnet.edu.br

[email protected]

2122-8800

Esta palestra est disponvel em:

Ministrada por

E-mail:
http://www.infnet.edu.br/http://www.infnet.edu.br/

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