课程学习总结报告

Posted 2020-12-16 l-xuan

课程学习总结报告
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。谈谈您对课程的心得体会，改进建议等。
产出要求是发表一篇博客文章，长度不限，只谈自己的思考，严禁引用任何资料造成文章虚长。

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精简的Linux系统概念模型：Linux系统从应用角度来看，分为内核空间和用户空间两个部分。内核空间是Linux操作系统的主要部分，但是仅有内核的操作系统是不能完成用户任务的。丰富并且功能强大的应用程序包是一个操作系统成功的必要条件。
从用户空间转换到内核空间通过系统调用实现。

主要实现方式为：
其实系统调用实质上就是一种特殊的中断。通过特定的软件中断（陷阱 trap）向内核发出服务请求，int $0x80和syscall指令的执?就会触发?个系统调?、并使用EAX寄存器传递系统调用号，然后根据系统调用号执行相应的内核处理函数。因为是中断因此也伴随着中断上下文的切换。

Linux系统的一般执行过程为：

1). 正在运?的?户态进程X。
2). 发?中断（包括异常、系统调?等），CPU完成load cs:rip(entry of a specific ISR)，即跳转到中断处理程序??。
3). 中断上下?切换，具体包括如下?点：

• swapgs指令保存现场，可以理解CPU通过swapgs指令给当前CPU寄存器状态做了?个快照。

• rsp point to kernel stack，加载当前进程内核堆栈栈顶地址到RSP寄存器。快速系统调?是由系统调???处的汇编代码实现?户堆栈和内核堆栈的切换。

• save cs:rip/ss:rsp/rflags：将当前CPU关键上下?压?进程X的内核堆栈，快速系统调?是由系统调???处的汇编代码实现的。

此时完成了中断上下?切换，即从进程X的?户态到进程X的内核态。
4). 中断处理过程中或中断返回前调?了schedule函数，其中完成了进程调度算法选择next进程、进程地址空间切换、以及switch_to关键的进程上下?切换等。
5). switch_to调?了__switch_to_asm汇编代码做了关键的进程上下?切换。将当前进程X的内核堆栈切换到进程调度算法选出来的next进程（本例假定为进程Y）的内核堆栈，并完成了进程上下?所需的指令指针寄存器状态切换。之后开始运?进程Y。
6). 中断上下?恢复，与（3）中断上下?切换相对应。注意这?是进程Y的中断处理过程中，?（3）中断上下?切换是在进程X的中断处理过程中，因为内核堆栈从进程X切换到进程Y了。
7). iret - pop cs:rip/ss:rsp/rflags，从Y进程的内核堆栈中弹出（3）中对应的压栈内容。此时完
成了中断上下?的切换，即从进程Y的内核态返回到进程Y的?户态。
8). 继续运??户态进程Y。

Linux的内核主要的功能有进程管理、内存管理、文件系统。
1 . 进程管理
进程管理主要包括进程创建、进程切换和进程调度。

1. 进程创建

   • 1号和2号进程的创建
     1号和2号进程的创建是start_kernel初始化到最后由rest_ init通过kernel_thread创建了两个内核线程：?个是kernel_init，最终把?户态的进程init给启动起来，是所有?户进程的祖先；另?个是kthreadd内核线程，kthreadd内核线程是所有内核线程的祖先，负责管理所有内核线程。
     
   • 系统调用fork创建一个进程最终都是通过_do_fork来完成的
     
     copy_process函数主要完成了调?dup_task_struct复制当前进程（?进程）描述符task_struct、信息检查、初始化、把进程状态设置为TASK_RUNNING（此时?进程置为就绪态）、采?写时复制技术逐?复制所有其他进程资源、调?copy_thread_tls初始化?进程内核栈、设置?进程pid等。其中最关键的就是dup_task_struct复制当前进程（?进程）描述符task_struct和copy_thread_tls初始化?进程内核栈。
     ?进程创建好了进程描述符、内核堆栈等，就可以通过wake_up_new_task(p)将?进程添加到就绪队列，使之有机会被调度执?，进程的创建?作就完成了，?进程就可以等待调度执?，?进程的执?从这?设定的ret_from_fork开始。
     

2. 进程切换
   为了简便，假设系统只有两个进程，分别是进程0和进程1。进程0由内核启动时初始化执?，然后需要进程调度和进程切换，然后开始执?进程1。进程切换过程中进程0和进程1的堆栈和相关寄存器的变化过程?致如下：

   • pushq %%rbp 保存进程0当前RBP寄存器的值到堆栈；
   • movq %%rsp,%0 保存进程0当前RSP寄存器的值到prev->thread.sp，这时RSP寄存器指向进程的栈顶地址，实际上就是将进程0的栈顶地址保存。
   • movq %2,%%rsp 将进程1的栈顶地址next->thread.sp放?RSP寄存器，即RSP改为指向进程1的栈顶地址，完成了进程0和进程1的堆栈切换。
   • movq $1f,%1 保存进程0当前RIP寄存器值到prev->thread.ip，这?$1f是指标号1。
   • pushq %3 把即将执?的进程1的指令地址next->thread.ip?栈，完成pc寄存器值的切换
   • ret 就是将压?栈中的next->thread.ip放?RIP寄存器，因此CPU开始执行进程1，完成进程的切换
   • popq %%rbp 将进程1堆栈基地址从堆栈中恢复到RBP寄存器中。

3. 进程调度
   进程调度策略就是从就绪队列中选择?个进程的策略?法。Linux下的进程调度有2种策略：SCHED_FIFO和SCHED_RR。

   • SCHED_FIFO是针对运行的实时性要求比较高、运行时间短的进程调度策略。这种策略中，系统按照进入队列的先后进行进程的调度。
   • SCHED_RR是针对实时性要求比较高、运行时间比较长的进程调度策略。系统分配给SCHED_RR进程时间片，然后轮循运行这些进程，将时间片用完的进程放入队列的末尾。

2 . 内存管理
内存管理是多个进程间的内存共享策略。在Linux系统中，内存管理的主要概念是虚拟内存。
虚拟内存可以让进程拥有比实际物理内存更大的内存，可以是实际内存的很多倍。每个进程的虚拟内存有不同的地址空间，多个进程的虚拟内存不会冲突。
虚拟内存的分配策略是每个进程都可以公平地使用虚拟内存。虚拟内存的大小通常设置为物理内存的两倍。

3 . 文件系统
在Linux中，一切都是文件，通过对文件的定义和操作来控制设备的执行和数据的存储。目前Linux下最常用的文件格式是ext2和ext3。ext2文件系统用于固定文件系统和可活动文件系统，是ext文件系统的扩展。ext3文件系统是在ext2上增加日志功能后的扩展，它兼容ext2。两种文件系统之间可以互相转换，ext2不用格式化就可以转换为ext3文件系统，而ext3文件系统转换为ext2文件系统也不会丢失数据。

文件打开流程：
　　1、打开文件即使用 open 函数，它首先通过按名查找，看在高速缓存中有没有查找的 inode，如果有那么对其进行引用并加 1。如果没有将创建新的 vfs的 inode 对象和目录项对象等。

　　2、 Open 函数调用的系统服务例程是 sys_open 函数，其接受的参数为文件目录和访问的模式。如果文件存在则返回一个文件描述符fd，如果不存在则返回-1.

　　3、 Read 和write 函数分调用的服务例程是 sys_read 和 sys_write，接受三个参数。分别是一个文件描述符 fd，一个对数据缓存的地方buf，和需要传输的数据的多少 count。Read 对将文件读入缓存区。Write 则相反。

文件关闭流程：

　　1、用户程序通过close ( )系统调用关闭打开的文件，该函数接收的参数为要关闭文件的文件描述符。

　　2、内核调用sys_close ( )函数。

4 .一个例子：ls命令执行过程

如图左侧为主线，右侧则是涉及的各种操作系统知识的汇总。
1. CPU在运?其他进程时，Shell进程在等待获取?户输?，处于阻塞等待状态。当?户输?ls回?后，导致键盘控制器向CPU发出中断信号。
2. CPU检测到键盘中断信号，转去中断处理程序，中断处理程序将Shell进程由等待状态转为就绪状态，被唤醒置于就绪队列。
3. CPU从键盘中断处理程序返回前，检测是否需要进程调度，交互式进程被唤醒后vruntime较低，被优先调度的Shell进程很可能会恢复执?，Shell程序会调?fork系统调?和exec系统调?。
4. CPU执?Shell进程调?fork系统调?，结果是创建了?个?进程，这期间可能进程调度Shell进程被挂起，?进程得以执?，在?进程中调?exec系统调?加载了ls可执?程序，exec系统调?返回CPU开始执??进程中的ls程序。
5. CPU执?ls进程的效果就是输出当前?录下的?录和?件，这时ls进程终?，Shell进程?进?等待?户输?的状态，系统发?进程调度CPU去执?其他进程。

5 .心得体会
通过这门课的学习，我对Linux操作系统有了一个深入的认识。之前只是知道Linux的基本操作命令，现在对Linux操作系统底层的实现机制已经有了一定的认识，这让我受益良多。当然在以后的工作中使用Linux是必不可少的，这也对我以后的工作有了一定的帮助，再此非常感谢2位老师的细心教导。