全面講解Linux系統(tǒng)多用戶的特點(diǎn)
在學(xué)習(xí)Linux系統(tǒng)中，我們經(jīng)常會(huì)看到多用戶這個(gè)詞，你了解Linux系統(tǒng)多用戶的特點(diǎn)么？這里為你介紹Linux系統(tǒng)多用戶的特點(diǎn)。多用戶是指系統(tǒng)資源可以被不同用戶各自擁有使用，即每個(gè)用戶對(duì)自己的資源（例如：文件、設(shè)備）有特定的權(quán)限，互不影響。因此多用戶特性變成了衡量操作系統(tǒng)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，如何保障用戶公平的使用系統(tǒng)也成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須要考慮的問題。
為了實(shí)現(xiàn)多用戶特性，Linux系統(tǒng)將進(jìn)程的生存周期劃分為4種狀態(tài)：
（1）進(jìn)程正在用戶態(tài)下執(zhí)行；
（2）進(jìn)程正在核心態(tài)下執(zhí)行；
（3）進(jìn)程未正在執(zhí)行，但是它已準(zhǔn)備好——一旦調(diào)度程序選中了它，它就可以投入運(yùn)行。很多進(jìn)程可以處于這一狀態(tài)，而調(diào)度算法決定哪個(gè)進(jìn)程將成為下一個(gè)執(zhí)行的進(jìn)程；
（4）進(jìn)程正在睡眠。
4種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換并不是任意的，而是一個(gè)有向圖。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下所示：
因?yàn)槿魏螘r(shí)刻一個(gè)處理機(jī)僅能執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程，所以至多有一個(gè)進(jìn)程可以處在***種狀態(tài)和第二種狀態(tài)。這兩個(gè)狀態(tài)相應(yīng)于兩種執(zhí)行態(tài)：用戶態(tài)和核心態(tài)。劃分這兩個(gè)級(jí)別主要是對(duì)系統(tǒng)提供保護(hù)，核心態(tài)可以執(zhí)行一些特權(quán)指令和進(jìn)入用戶態(tài)，而用戶態(tài)則不能。核心態(tài)與用戶態(tài)的劃分為Linux多用戶特性提供了保證。
Linux中大部分的系統(tǒng)調(diào)用包含在Linux的libc庫中，通過libc調(diào)用方法可以調(diào)用這些系統(tǒng)調(diào)用。因此，當(dāng)用戶進(jìn)程需要使用系統(tǒng)資源時(shí)（如文件、顯示器輸出、打印機(jī)輸出等），會(huì)通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能（如open打開文件、printf進(jìn)行顯示器輸出等）。系統(tǒng)調(diào)用的激活有兩種方法：system_call函數(shù)和lcall7調(diào)用門(call gate)。還有一種syscall函數(shù)，是通過調(diào)用lcall7實(shí)現(xiàn)的，所以不算作一種特有的方法。對(duì)于內(nèi)部代碼來說，system_call是所有系統(tǒng)調(diào)用的入口點(diǎn)，lcall7用來支持iBCS2（Inter二進(jìn)制兼容規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的版本2，這里不作討論）。用戶進(jìn)程通過libc激活system_call,該libc會(huì)把自己希望傳遞的參數(shù)裝載到CPU寄存器中，并觸發(fā)0x80軟件中斷，即Int $0x80。這個(gè)過程檢查系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，這個(gè)號(hào)碼告訴內(nèi)核進(jìn)程請(qǐng)求哪種服務(wù)。然后，它查看系統(tǒng)調(diào)用表(sys_call_table)找到所調(diào)用的內(nèi)核函數(shù)入口地址。接著，就調(diào)用函數(shù)完成相應(yīng)功能，等返回后，做一些系統(tǒng)檢查，***返回到進(jìn)程（或到其他進(jìn)程，如果這個(gè)進(jìn)程時(shí)間用盡）。這便是用戶進(jìn)程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用的整體過程。
在一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)中如Linux， 幾個(gè)進(jìn)程能同時(shí)進(jìn)行，并且它們可能都進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)用。內(nèi)核將通過禁止任意的上下文切換和控制中斷的發(fā)生保護(hù)核心態(tài)下運(yùn)行的一致性。僅當(dāng)進(jìn)程從“核心態(tài)運(yùn)行 ”狀態(tài)轉(zhuǎn)移到“在內(nèi)存中睡眠”狀態(tài)時(shí)，內(nèi)核才允許上下文切換。在核心態(tài)下運(yùn)行的進(jìn)程不能被其他進(jìn)程所搶占，因此內(nèi)核有時(shí)被稱為不可搶先的（non-preemptive），盡管內(nèi)核也并不搶占用戶態(tài)下的進(jìn)程。由于處理系統(tǒng)調(diào)用之前的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)備好的，所以在系統(tǒng)調(diào)用的過程中不會(huì)出現(xiàn)死鎖狀態(tài)。又因?yàn)閮?nèi)核處于不可搶先狀態(tài)，所以內(nèi)核可保持它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致性，從而解決了互斥（mutual exclusion）問題——保證在任何時(shí)刻至多一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行臨界區(qū)代碼。
舉個(gè)例子，設(shè)有三個(gè)用戶進(jìn)程A、B、C同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。進(jìn)程睡眠的條件是臨界區(qū)處于上鎖狀態(tài)。在任一時(shí)刻只能有一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行，它發(fā)現(xiàn)臨界區(qū)是上了鎖的，就在臨界區(qū)變?yōu)殚_鎖的狀態(tài)的事件上等待。終于，臨界區(qū)的鎖解開了，所有的等待的進(jìn)程被喚醒并進(jìn)入“就緒”狀態(tài)。內(nèi)核最終選擇一個(gè)進(jìn)程（比如B）執(zhí)行。進(jìn)程B發(fā)現(xiàn)臨界區(qū)處于開鎖狀態(tài)，于是為臨界區(qū)上鎖，并且繼續(xù)執(zhí)行。如果后來進(jìn)程B在為臨界區(qū)解鎖之前再次去睡眠（例如等候I／O操作的完成），則內(nèi)核能調(diào)度其他進(jìn)程去運(yùn)行。如果它選擇了進(jìn)程A，進(jìn)程A發(fā)現(xiàn)臨界區(qū)處于上鎖狀態(tài)，那么它就再次去睡眠。進(jìn)程C也做同樣的事情。***，進(jìn)程B醒來并為緩沖區(qū)解鎖，允許進(jìn)程A也允許進(jìn)程C存 取緩沖區(qū)。因此，保證了至多一個(gè)進(jìn)程能獲得資源的存取。再此期間，進(jìn)程的睡眠與喚醒過程應(yīng)被考慮成“原子的”：一個(gè)進(jìn)程瞬時(shí)地進(jìn)入睡眠狀態(tài)，并停留在那兒 直至它被喚醒。在它睡眠之后，內(nèi)核調(diào)度另一個(gè)進(jìn)程去運(yùn)行，并切換后者的上下文。由此可見，臨界區(qū)在任何時(shí)刻只有至多一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行。
總體說來Linux實(shí)現(xiàn)多用戶特性的關(guān)鍵在于，將所有系統(tǒng)調(diào)用在將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后通過一個(gè)接口（system_call） 進(jìn)入核心態(tài)，由核心態(tài)進(jìn)行權(quán)限檢查控制，并且保證資源的獨(dú)占訪問。在表面上看，系統(tǒng)調(diào)用就合其他的函數(shù)調(diào)用一樣，只要結(jié)果符合預(yù)計(jì)的情況，應(yīng)用程序就不能 確定是否真正使用了內(nèi)核，從而達(dá)到核心態(tài)切換對(duì)用戶層透明的目的。這樣的過程也就保證了，每個(gè)用戶進(jìn)程對(duì)資源操作的互不影響。從而實(shí)現(xiàn)了Linux系統(tǒng)的多用戶特性。
希望本文對(duì)于Linux系統(tǒng)多用戶的特點(diǎn)的介紹，能對(duì)你有所幫助。
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