深入解析 UNIX 核心資料結構、檔案系統與程式管理

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理解作業系統核心資料結構與狀態資訊對於系統穩定性至關重要。這些資訊分為使用者級、註冊器級和系統級上下文。使用者級上下文包含程式文字、資料和使用者堆積疊區域，分別存放指令、分享資料和函式呼叫資訊。註冊器上下文儲存程式的非執行狀態資訊，包含程式計數器、堆積疊指標、通用暫存器和處理器狀態暫存器。系統級上下文包含作業系統管理程式所需資訊，分為靜態部分（程式表條目、U 區域、區域表）和動態部分（核心堆積疊）。UNIX 系統中，程式間存在父子關係，由 Scheduler 程式啟動 init 程式，再由 init 啟動 shell 和使用者指令。網路登入則由 inetd 守護程式監聽多個服務。Shell 工作流程等待使用者輸入指令，建立子程式執行指令並傳回結果。檔案系統方面，UNIX 檔案系統是階層樹狀結構，所有元素皆視為檔案，每個檔案由 inode 儲存屬性資訊，並以路徑名稱識別。檔案型別包含常規檔案、目錄檔、特殊檔、管道、通訊端、符號連結和 FIFO。檔案命名需注意特殊字元限制，並可使用分隔符號提升可讀性。檔案系統結構包含引導區塊、超級區塊、inode 列表和資料區塊。重要目錄包含 /etc、/usr、/var 等，各有其功能。UNIX 作業系統由核心、Shell 和工具程式組成，核心負責核心功能，每個程式經歷多種狀態。inode 儲存檔案中繼資料，不包含檔名。

處理核心資料結構與狀態資訊

在作業系統中，處理核心資料結構與狀態資訊是確保系統穩定執行的關鍵。這些資料結構和狀態資訊可以分為多個層次，每個層次都有其特定的功能和作用。以下是對這些層次的詳細說明：

使用者級上下文

使用者級上下文包含了使用者程式在編譯源檔案後生成的基本元素。這些元素主要分為「文字」和「資料」兩部分。

文字區域

文字區域包含了一組只讀的指令集，這些指令是程式的執行基礎。這些指令在程式執行過程中是不會改變的，因此被設定為只讀。

資料區域

資料區域是分享記憶體區域，許多程式可以存取。雖然只有一個分享記憶體區域，但透過虛擬記憶體的概念，每個分享程式在其地址空間中都可能有一個分享記憶體區域。

使用者堆積疊區域

使用者堆積疊區域用來儲存函式呼叫的引數、傳回值和指標。這些資訊在函式執行過程中是動態變化的。

註冊器上下文

註冊器上下文儲存了程式在非執行狀態下的狀態資訊。這些資訊包括：

  • 程式計數器：下一條要執行的指令地址。
  • 堆積疊指標：指向核心或使用者堆積疊的頂部，取決於程式的操作模式。
  • 一般目的註冊器：這些註冊器的值取決於實作硬體。
  • 處理器狀態註冊器：處理器在被中斷時的狀態。

系統級上下文

系統級上下文包含了作業系統用來管理程式所需的資訊。這些資訊分為靜態和動態兩部分。

靜態部分

靜態部分包含了每個程式在程式表中的條目，這些條目儲存了程式控制資訊，以便核心隨時可用。此外，還有一個使用者 (U) 區域，包含了核心在執行程式上下文時所需的額外控制資訊。每個程式還有一個區域表，用於記憶體管理系統將程式交換到/從主記憶體中。

動態部分

動態部分是核心堆積疊，用於程式在核心模式下執行時所需的資訊。當發生中斷或過程呼叫時，核心堆積疊會儲存相關資訊。

以下表格展示了不同上下文中的資訊集：

使用者級上下文 說明
程式文字 與程式相關聯的可執行機器指令
程式資料 可由程式存取的資料
使用者堆積疊 包含本地變數、引數和函式指標
註冊器上下文 說明
程式計數器 下一條要執行的指令地址
堆積疊指標 指向核心或使用者堆積疊的頂部
一般目的註冊器 值依實作硬體而定
處理器狀態註冊器 處理器在被中斷時的狀態
系統級上下文 說明
程式表條目 包含程式的狀態
每個程式區域表 虛擬地址到實際地址和存取許可權對映
使用者 (U) 區域 上下文轉換所需的程式控制資訊
心核堆積疊 心核過程的堆積疊框架

UNIX 中的程式關係

在 UNIX 作業系統中，程式之間有一種父子關係。每個程式都有一個父程式和一個或多個子程式。以下是一些關鍵點：

  • Scheduler (swapper) 程式：其 ID 是 0 ，是內核的一部分，稱為系統程式。
  • init 程式：其 ID 是 1 ，是專案排程員，啟動 shell ，所有由我們啟動的程式都是 shell 的子程式。
  • init 進行書記工作：當 UNIX 作業系統啟動時，核心呼叫 etc/init 進行書記工作並啟動各種守護過程。
  • 4.3 BSD 中的 init 進行：執行 shell 指令碼 /etc/rc ，並呼叫守護過程。
  • UNIX System V 中的 init：從 /etc/initab 檔案讀取內容以將系統設定為單使用者或多使用者模式。

以下是 UNIX 中登入流程的一些關鍵步驟：

  1. init 啟動 Getty：init 啟動 Getty 做終端設定及等待使用者輸入登入名稱。
  2. Getty 啟動 login：Getty 執行 /bin/login 檢查登入名稱是否存在於 /etc/passwd 檔案中。
  3. Login 啟動 Shell：如果登入成功，login 執行 shell ，並設定工作目錄、有效群組 ID 和有效使用者 ID。

網路登入

在網路登入中，inetd 是一個重要守護過程。它可以被 TCP 或 UDP 的伺服器使用來同時聆聽多個服務。

Shell 工作流程

Shell 工作流程通常會等待使用者輸入命令。當使用者輸入命令時，shell 建立一個副本並等待子進行完畢後再傳回給父進行。

內容解密：

此圖示展示了UNIX中的進行排程Pipeline。SCHEDULER（SWAPPER）為初始進行ID為0,負責啟動INIT進行ID為1,初始化工作環境後,INIT負責啟動SHELL,而SHELL則負責USER COMMANDS運作,所有USER COMMANDS都是SHELL子進行,且所有子進行都必須傳回給SHELL.

如果有任何疑問或需要更多詳細說明請參考UNIX手冊及相關官方檔案

UNIX 檔案系統架構及特性

UNIX 檔案系統的階層結構

UNIX 檔案系統是一個動態增長或減少的階層樹結構，由目錄和檔案組成。這個樹狀結構從根目錄（/）開始，每個非葉節點都是一個檔案目錄，而葉節點則可以是目錄、常規檔案或特殊裝置檔案。

在 UNIX 系統中，一切皆為檔案。這意味著資料、程式檔案、目錄、裝置和連結都被視為檔案。每個檔案都有名稱、擁有者和存取許可權，並且每個檔案都有一個唯一的 inode 號碼。

inode 與檔案屬性

inode 是 UNIX 檔案系統中的核心概念，它儲存了檔案的所有屬性，除了檔名。inode 中通常包含以下資訊：

  • 檔案內容在磁碟上的位置
  • 檔案的型別
  • 檔案的大小（以位元組計）
  • inode 最後修改的時間
  • 檔案內容最後修改的時間
  • 檔案最後存取的時間
  • 參考計數（檔名數量）
  • 檔案擁有者的 ID
  • 檔案群組 ID
  • 檔案存取許可權位元

每個檔案在核心中都有一個非負整數作為檔案描述符，核心使用這個描述符來識別檔案。每個檔案或目錄在目錄條目中都有一個對應的檔名，而斜線和空字元不能出現在檔名中。

路徑名稱

每個檔案或目錄都由其路徑名稱來識別，路徑名稱可以是絕對路徑或相對路徑。絕對路徑從根目錄（/）開始，透過目錄樹中的各個分支，直到找到所需的檔案。例如，/usr/bin 就是一個絕對路徑。

相對路徑則是相對於當前工作目錄的路徑。例如，如果當前工作目錄是 /usr/bin，則 ../date 指的是移動到上一級目錄後再進入 date 目錄。

UNIX 檔案型別

UNIX 中有七種型別的檔案，這些檔案各自有不同的用途和特性：

  1. 常規檔案：這些是未格式化的位元組序列。常規檔案可能包含 ASCII 或二進位制字元，甚至是兩者的組合。文字檔也是常規檔案的一種。所有 Shell 指令碼和高階語言編寫的程式都是常規檔案。

  2. 目錄檔：這些是格式化的位元組序列，包含其他檔案和子目錄的資訊。每個目錄都包含其中包含的檔名和 inode 號碼。

  3. 特殊檔：這些代表物理裝置如鍵盤、磁帶、磁碟和印表機等。作業系統使用這些檔來與硬體通訊。這些特殊檔存放在 /dev 目錄中。

  4. 管道（Pipes）：用於程式間通訊（IPC）的特殊型別檔案。管道分為命名管道和無命名管道。

  5. 通訊端（Sockets）：用於同一或不同機器上兩個程式之間通訊。通訊端也與檔案描述符相關聯。

  6. 符號連結（Symbolic Link）：這是指向現有檔案的一種特別型別檔案，也稱為軟連結。檔案內容可以透過檔名或連結名來存取。

  7. FIFO（First In First Out）：FIFO 是一種具有目錄條目的檔案，並且可以透過路徑名稱存取。它在兩個程式之間作為管道使用。

UNIX 檔名慣例

在 UNIX 中，每個檔案或目錄在目錄條目的關聯檔名稱中都有一個對應的檔名稱。有些 UNIX 系統會限制檔名稱為 14 個字元，而大多數其他系統則允許 256 個字元在檔名稱中。總體來說，UNIX 有以下幾種命名慣例：

  • 不能包含斜線（/）或空字元。
  • 建議避免使用大寫字母和特殊字元。
  • 長度一般不超過 256 個字元。
  • 儘量避免使用保留關鍵字作為檔名。
  • 在日常使用中，可以使用簡潔且具有描述性的名稱來提高可讀性。

透過以上介紹，玄貓希望讀者能夠更深入瞭解 UNIX 檔案系統的基本概念及其各種特性。如果有任何問題或需要更多詳細資訊，歡迎隨時詢問！

UNIX 檔案系統與目錄結構深度解析

UNIX 作為一個多使用者、多工作的可攜式作業系統，其檔案系統與目錄結構設計精妙且功能強大。玄貓將從檔案名稱、檔案系統結構、重要目錄及其功能等方面進行探討，並提供實際應用中的具體案例。

檔案名稱與特殊字元

在 UNIX 系統中，檔案名稱對大小寫敏感，這意味著 file.txt 和 File.txt 是兩個不同的檔案。幾乎所有鍵盤上的字元都可以用於檔案名稱，但某些特殊字元如 |, ;, ,, !, @, #, $, (), <, >, /, \, “, ‘, `, {}, [], +, =, &, ^ 以及空白字元和換行符號等是不被允許的。

使用分隔符號提升可讀性

為了使檔案名稱更易讀，通常會使用分隔符號如下劃線 - 或底線 _。例如，my_document.txt 和 my_document_2023.txt 這樣的命名方式就比較清晰。

檔案名稱與元字元

在 UNIX 的 shell 中，當檔案名稱包含星號 *、問號 ? 或方括號 [ ] 時，shell 會進行擴充套件操作。這些元字元有以下功能：

  • *：可以替換為零個或多個允許的字元。
  • ?：可以替換為任何單一字元。
  • [ ]：指定一組特定的字元範圍。例如 [a-h] 表示從 a 到 h 的任何一個字元。
範例分析

假設有一個目錄包含以下檔案：

a.txt
b.txt
c.txt
d1.txt
e2.txt

使用以下指令：

ls *[0-9].txt

將會列出所有檔案名稱以數字結尾的檔案：

d1.txt e2.txt

UNIX 檔案系統結構

UNIX 檔案系統由多個邏輯區塊組成，每個區塊的大小可以是 512 位元組、1,024 位元組或其倍數。以下是 UNIX 檔案系統的基本結構：

  1. 引導區塊（Boot Block）：包含引導程式碼，用於啟動系統。每個檔案系統都有一個空的引導區塊。
  2. 超級區塊（Super Block）：描述檔案系統的狀態，包括可用區塊數量、可用 inode 數量等資訊。
  3. inode 列表（Inode List）：包含所有檔案的 inode 資訊，inode 包含檔案型別、許可權、擁有者、檔案大小等資訊。
  4. 資料區塊（Data Blocks）：存放實際的檔案資料和管理資料。
UNIX 檔案系統結構圖示
  graph TD;
    A[引導區塊] --> B[超級區塊];
    B --> C[inode 列表];
    C --> D[資料區塊];
此圖示詳細解說
  • 引導區塊包含啟動程式碼。
  • 超級區塊記錄檔案系統狀態及管理資訊。
  • inode 列表存放所有檔案的中繼資料。
  • 資料區塊存放實際檔案內容。

必要的 UNIX 指令目錄

UNIX 系統中有許多重要的目錄，這些目錄用於管理系統資源、使用者資料、程式和裝置等。以下是一些關鍵目錄及其功能：

/etc 組態檔與啟動指令碼

這個目錄包含了系統啟動所需的組態檔和指令碼，例如 /etc/config 用於存放系統組態選項。

/usr 使用者與應用程式

這個目錄包含了許多使用者和應用程式相關的檔案和函式庫。例如 /usr/bin 包含了系統二進位制檔案，而 /usr/lib 則包含了物件函式庫和傳送郵件的程式。

/var 行動資料與日誌

這個目錄用於存放行政程式和日誌檔案。例如 /var/log 包含了系統日誌檔案。

UNIX 重要目錄圖示
  graph TD;
    A[根目錄 /] --> B[組態與啟動 /etc];
    A --> C[使用者與應用 /usr];
    A --> D[動態資料 /var];
    A --> E[裝置目錄 /dev];
    A --> F[暫存檔案 /tmp];
    A --> G[本地安裝 /usr/local];
此圖示詳細解說
  • /etc 包含組態檔與啟動指令碼。
  • /usr 包含使用者與應用程式相關檔案。
  • /var 用於存放動態資料與日誌。
  • /dev 包含所有裝置檔案。
  • /tmp 用於暫存檔案。
  • /usr/local 用於本地安裝的應用程式。

傳統運作模式

UNIX 作業系統由核心、殼層（Shell）和工具及應用程式組成。其中核心負責處理程式和檔案管理等核心功能。每個程式在其生命週期中會經歷九個狀態，包括新建、就緒、執行、阻塞等。

inode 資訊結構

inode 是 UNIX 檔案系統中的核心概念，它包含了檔案的中繼資料，如許可權、擁有者、大小等。這些資訊不包括檔名稱，因為同一 inode 的不同連結可以有不同的名稱。

inode 資訊圖示
  graph TD;
    A[inode] --> B[檔案型別];
    A --> C[許可權];
    A --> D[擁有者 ID];
    A --> E[大小];
    A --> F[最後修改時間];
此圖示詳細解說
  • inode 包含了每個檔案的中繼資料。
  • 不同連結可以有不同名稱但分享相同 inode。

與程式相關之關鍵字彙定義

玄貓在探討中發現以下關鍵字彙對於理解 UNIX 作業系統非常重要：

  • 核心（Kernel）：作業系統的一部分，持續居留在記憶體中並執行最基本的任務。
  • 多重處理（Multiprocessing）：允許單一處理器同時處理多個程式。
  • 父程式（Parent Process）：控制一或多個子程式的一項工作。
  • 子程式（Child Process）：由父程式建立並控制的一個程式。

技術選型分析與未來趨勢預測

在現代技術環境中，UNIX 作業系統因其穩定性和靈活性仍然被廣泛應用。未來隨著雲端運算和容器技術的發展，UNIX 的高效率和穩定性將會繼續成為技術選型中的重要考量因素。

在實務應用中，玄貓建議採用容器化技術來佈署 UNIX 應用程式，這不僅提高了應用程式的可攜性和佈署效率，還能夠更好地利用現代雲端基礎設施。

趨勢預測：容器化與雲端運算

隨著容器技術如 Docker 和 Kubernetes 的普及，UNIX 應用程式可以更加靈活地佈署在各種雲端環境中。這些技術將使得跨平台佈署變得更加容易，並且提高了應用程式的可維護性和擴充套件性。

玄貓

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技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。