课程学习总结报告

Posted 2020-12-16 liwj57csseblog

报告要求：

请您根据本课程所学内容总结梳理出一个精简的Linux系统概念模型，最大程度统摄整顿本课程及相关的知识信息，模型应该是逻辑上可以运转的、自洽的，并举例某一两个具体例子（比如读写文件、分配内存、使用I/O驱动某个硬件等）纳入模型中验证模型。

Linux系统模型

Linux是一种操作系统，它是连接软件和硬件的一种特殊的系统软件：

 

Linux系统被设计用来管理软硬件资源，与硬件交互以及给用户提供一个良好的执行环境，在学习Linux操作系统之后，可以给它设计这样一个概念模型：

 

应用程序通过访问操作系统的api，请求系统服务，操作系统进行从用户态切换到内核态，进行系统调用，在进行服务之后，返回用户态，继续操作。

 

Linux内存分配机制

　　从以上的模型我们只能对Linux操作系统有一个大概的了解，对他的结构有一个宏观的概念，接下来以Linux内存分配为例，研究一下Linux操作系统的工作原理，并试着将这门课所学到的知识运用进来，使上述模型在逻辑上是能够运转的，自洽的。、

Linux 的虚拟内存管理概念：

1、每个进程都有独立的虚拟地址空间，进程访问的虚拟地址并不是真正的物理地址；

2、虚拟地址可通过每个进程上的页表(在每个进程的内核虚拟地址空间)与物理地址进行映射，获得真正物理地址；

3、如果虚拟地址对应物理地址不在物理内存中，则产生缺页中断，真正分配物理地址，同时更新进程的页表；如果此时物理内存已耗尽，则根据内存替换算法淘汰部分页面至物理磁盘中。 

　　Linux 使用虚拟地址空间，大大增加了进程的寻址空间，由低地址到高地址分别为：

1、只读段：该部分空间只能读，不可写；(包括：代码段、rodata 段(C常量字符串和#define定义的常量) )

2、数据段：保存全局变量、静态变量的空间；

3、堆 ：就是平时所说的动态内存， malloc/new 大部分都来源于此。其中堆顶的位置可通过函数 brk 和 sbrk 进行动态调整。

4、文件映射区域 ：如动态库、共享内存等映射物理空间的内存，一般是 mmap 函数所分配的虚拟地址空间。

5、栈：用于维护函数调用的上下文空间，一般为 8M ，可通过 ulimit –s 查看。

6、内核虚拟空间：用户代码不可见的内存区域，由内核管理(页表就存放在内核虚拟空间)

 

 

 当应用进程（如c语言使用malloc）申请内存时，调用系统api,系统从用户态进入内核态，在Linux系统上，程序被载入内存时，内核为用户进程地址空间建立了代码段、数据段和堆栈段，在数据段与堆栈段之间的空闲区域用于动态内存分配。 内核数据结构mm_struct中的成员变量start_code和end_code是进程代码段的起始和终止地址，start_data和 end_data是进程数据段的起始和终止地址，start_stack是进程堆栈段起始地址，start_brk是进程动态内存分配起始地址（堆的起始 地址），还有一个 brk（堆的当前最后地址），就是动态内存分配当前的终止地址。 C语言的动态内存分配基本函数是malloc()，在Linux上的基本实现是通过内核的brk系统调用。brk()是一个非常简单的系统调用，只是简单地改变mm_struct结构的成员变量brk的值。 mmap系统调用实现了更有用的动态内存分配功能，可以将一个磁盘文件的全部或部分内容映射到用户空间中，进程读写文件的操作变成了读写内存的操作。在 linux/mm/mmap.c文件的do_mmap_pgoff()函数，是mmap系统调用实现的核心。do_mmap_pgoff()的代码，只是新建了一个vm_area_struct结构，并把file结构的参数赋值给其成员变量m_file，并没有把文件内容实际装入内存。。

进程分配内存有两种方式，分别由两个系统调用完成：brk和mmap（不考虑共享内存）。

1、brk是将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推；

2、mmap是在进程的虚拟地址空间中（堆和栈中间，称为文件映射区域的地方）找一块空闲的虚拟内存

这两种方式分配的都是虚拟内存，没有分配物理内存。在第一次访问已分配的虚拟地址空间的时候，发生缺页中断，操作系统负责分配物理内存，然后建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。当缺页中断发生时，Linux系统进行以下操作：

1、检查要访问的虚拟地址是否合法 
2、查找/分配一个物理页 
3、填充物理页内容（读取磁盘，或者直接置0，或者啥也不干） 
4、建立映射关系（虚拟地址到物理地址） 
5、重新执行发生缺页中断的那条指令 

 只要进程请求内存，内核只要满足要求就会给其分配页面。如果进程不再需要页面，内核就会将其回收。

alloc_page()//该函数用于请求单页

alloc_pages()//该函数用于请求4个页面

__get_free_page()/__get_dma_pages()  //返回32为虚拟地址，该地址是分配页面的首地址

__free_page()/__free_pages() //释放页面

每当页面被分配和回收的时候，系统都会遇到外部碎片或内存碎片的问题（即页面散布在内存中，即使可用页面足够多，但是无法分配大块的连续页面）。为了解决这个问题，Linux系统提供了伙伴算法。伙伴系统把内存中空闲块组成链表，将不同大小的空闲内存块组织起来（我猜测是将相同大小的组织在一起），虽然大小不一样，但是都是2的幂次方。当系统中有进程释放没存的时候，伙伴系统就会搜索与所释放块大小相等的可用空闲内存块，如果找到相邻的空闲块，就将其合并成两倍于自身大小的块。这种合并的块称为伙伴。

当内存分配完成，系统从内核态返回用户态。

 

心得体会

通过这个学期的学习，通过老师们对实际的代码的讲解，我对操作系统的理解大大加深了，大致知晓Linux是如何工作的，使我了解了Linux的很多知识。并且经过几次实际的实验操作，能够跟踪、调试Linux系统的运行机制。但是其内核模块也是相当复杂，不甚晦涩。虽有老师们的悉心讲解，但我感觉自己仅仅是摸到其新手门槛，要学习的知识浩如烟海，我了解到的仅是皮毛而已。因此虽然课程告一段落，但是对于linux的学习，不会止于linux课程的结束。

关于对课程的建议：

建议老师在讲课的时候能够加一些实践操作的环节，让学生能够有模板参照，能够更加深刻的理解Linux，学习起来也更加轻松。再次感谢Linux课程的李春杰老师和孟宁老师。让我对LInux产生浓厚的兴趣。