课程学习总结报告

Posted 2020-12-14 slm-

课程学习总结报告

Linux之进程

　　概述：进程是Linux进行资源分配和调度的基本单位，进程也被看做是程序的一次执行过程，当持久化在磁盘上的二进制代码被载入内存时，Linux操作系统为其分配了用户栈和内核栈，同时使用task_struct这种数据结构对进程进行描述，task_struct是Linux操作系统感知进程存在的数据结构，具体描述了进程号，进程状态，进程的调度策略和调度信息，进程打开文件表，进程链表，父子进程的关系等信息。Linux根据这个数据结构找到进程对应的用户栈和内核栈，并根据cs,ip,ss,sp,ebp等寄存器信息，执行这个进程。

 

 

 　　进程调度：有了进程的概念，Linux就可以执行磁盘中持久化的二进制代码了。为了提高cpu利用率，提高计算机的并发性，引入了进程的调度这个概念，这相当于Linux虚拟化了多个“平行空间”，每个进程都有自己独立的用户栈和内核栈，Linux内核根据调度策略，在一定的时机对进程进行调度。进程调度时机包括：时间片用完，中断返回，进程状态发生变化，系统调用返回。

　　进程的调度策略：Linux系统采用优先级调度的策略，又分成实时进程和非实时进程，实时进程指需要及时处理的进程，优先级范围是0~99。100~139是非实进程的优先级范围。实时进程的优先级高于非实时进程。同一优先级对列按FIFO或者RR(时间片轮转)进行调度。Linux进程调度采用了可运行对列机制。

 

        进程调度之可运行对列工作原理：每个可运行对列有三个属性，进程数量，位图，进程对列，通过位图可以找到当前优先级最高的对列。可运行度量维护两个对列，活跃对列和过期对列。总是从活跃对列里根据调度策略选择一个进程执行，进程执行完毕后，如果当前进程是实时进程，则继续加入活跃对列中，如果是非实时进程的非批处理进程，则加入过期对列。如果活跃对列空，则将过期对列的内容负值到活跃对列中继续执行。这种机制的优点在于避免优先级低的进程出现饥饿的现象.

 Linux之系统调用

　　为了屏蔽硬件操作的细节，增强系统的安全性，增强用户程序的可移植性，Linux操纵系统划分了用户态和内核态，对应的内存空间被划分成用户空间和内核空间。内核态的权限高于用户态，即内核态下，cs:ip可以指向任意位置，而用户态下，cs:ip的活动范围只能是自己的空间。为了使用户调用操作系统底层服务，如中断，时钟，异常等，需要采取一种机制，这种机制就是系统调用。

　　从软件的角度看，通过int 0x80指令或者syscall指令可以触发系统调用。首先，当linux进入内核态时，先保存此时的上下文环境，如果是硬件中断触发的系统调用，保存的是中断上下文，如果是用户程序触发的系统调用，保存用户进程上下文。所谓的上下文是内核保存的，用于系统调用返回的参数信息。然后，通过系统调用号，找到对应的系统调用处理函数的首地址，建立函数堆栈，修改cs:ip的值并执行处理函数。处理函数执行完毕后，根据保存的上下文信息恢复现场返回用户态。

Linux之中断

　　中断的作用：中断可分成外部中断和内部中断，外部中断用于处理外部设备的I/O请求，也叫做硬件中断；内部中断用于处理故障，陷入，错误。也叫做软件中断。它们的作用都是为了改变cpu当前正在运行的指令流去执行其他任务。中断机制能够提高I/O效率，系统调用就是一种特殊的中断。中断按是否可屏蔽分成可屏蔽中断和不可屏蔽中断，可屏蔽中断的向量可以通过对中断控制器的 编程来改变。

  中断之硬件处理过程

         中断之异常处理：异常处理有一个标准的结构，由三部分组成 1. 在内核态堆栈中保存大多数寄存器的内容 2. 调用C语言的函数 3. 通过ret_from_exception()从异常处理程序退出 。当异常发生时，如果控制单元 没有自动地把一个硬件错误代 码插入到栈中，相应的汇编语 言片段会包含一条pushl $0指 令，在栈中垫上一个空值,如果 错误码已经被压入堆栈,则没有 这条指令。然后，把异常处理 函数的地址压进栈中；函数的名字由异常处理程序名与do_ 前缀组成。 然后调用error_code，该函数的主要功能：（1）按照pt_regs结构定义的堆栈数据格式完成相应 的入栈操作，进一步完成现场的保存。（2） 把堆栈地址中的do_handler_name()函数的地址 装入edi寄存器中，并在这个位置写入fs值，使栈 结构进一步与pt_regs结构完全一致。（3） 最后执行call *%edi指令。
        中断的一般处理流程
        在内核态堆栈保存IRQ的值和寄存器的内容

common_interrupt:
  SAVE_ALL 
  movl %esp,%eax 
  call do_IRQ jmp 
  $ret_from_intr

　　 do_irq工作原理：

　　内封装了一个irq_desc数组，根据中断向量号找到对应的中断服务例程，全部执行一遍，判断具体哪个设备发生了中断，就执行这个设备的中断服务程序。

系统性总结

         Linux的启动过程包括启动参数的传递，根文件系统的挂载，通过start_kernel完成了文件系统，中断，时钟，内存管理，设备管理等模块的初始化工作，保存了中断描述符表地址等信息，并初始化了0号进程。当调用一个程序时，首先使用execve系统调用对其进行加载，基本原理是读取命令行参数和环境变量，fork一个子进程，传递命令行参数和环境变量，如果是动态链接，内核返回到.intp处执行动态链接器进行动态链接。execve的结果就是加载一个可执行程序，这样一个基本的应用程序就能运行了。程序中可能涉及对设备的操作,linux用设备文件来感知设备，用户像使用普通文件一样打开一个设备文件，内核感知到这是一个设备文件时，就能根据设备号，找到该设备对应驱动程序，Linux将它们封装成进程打开文件表的一项并返回fd给用户，用户就能根据fd索引到对应的驱动程序进行设备的操作了。函数是可执行程序的基本功能模块，Linux使用函数调用堆栈这种机制对函数进行第调用，基本操作就是保存当成函数的ebp,用此时esp的位置作为新函数的ebp，基于原原来的空间进行函数空间生长，待切换的函数执行完毕后，切换回原函数的堆栈继续执行。进程调度是提高cpu吞吐率的一个重要措施，也是一种多任务处理的方式，Linux采取了基于优先级的调度策略，基于可运行对列进行调度。进程的调度发送生在内核态，通过schedule进行调度，调度 的结果是完成进程的切换,进程切换的基本思路就是保存原进程的cs:ip,ebp等寄存器信息，同时加载新进程的寄存器信息，完成用户堆栈和内核堆栈的切换。

　　上面是我对Linux工作机制的粗浅理解，没有面面俱到，但也有了一个宽泛认识。孟老师和李老师讲课认真负责，理论联系实践，深入浅出讲解了Linux的底层原理，对我以后做应用开发有很大的指导性作用，希望这门课越办越好。