linux课程总结

Linux内核实现了操作系统的三大核心功能，即进程管理、内存管理和文件系统，对应操作系统原理课程中最重要的 3 个抽象概念是进程、虚拟地址和文件。

一，linux系统概念模型

 

 

二，进程管理

进程管理主要完成三个任务：

进程初始化，进程描述符和进程切换

其中，进程切换涉及到的知识有进程调度策略，进程调度时机以及进程相关数据结构

进程的初始化

内核通过硬件静态创造出了一个特殊的进程0号进程init_task进程，而0号通过fork又创建出了1号进程第一个用户态进程，没有父进程，由Linux内核直接启动，是所有用户进程的父进程和2号进程一个kthreadd内核线程，实际上就是内核进程，用来管理系统的资源。

进程的状态

1、R (TASK_RUNNING)，可执行状态

2、S (TASK_INTERRUPTIBLE)，可中断的睡眠状态

3、D (TASK_UNINTERRUPTIBLE)，不可中断的睡眠状态

4、T/t (TASK_STOPPED or TASK_TRACED)，暂停状态或跟踪状态

5、Z (TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE)，退出状态，进程成为僵尸进程

6、X (TASK_DEAD - EXIT_DEAD)，退出状态，进程即将被销毁

进程状态的转换

进程调度

Linux系统中存在一个总的调度器类，可以容许不同的调度算法共存。从调度策略的角度来讲，可以区分为完全公平调度和实时调度。

完全公平调度会维护每一个进程的运行时间，并以此为依据计算vruntime值，每次再选择这个值最小的进程进行执行，其中的组织方法是红黑树。

实时调度主要使用SCHED_FIFO和SCHED_RR两种调度方法进行先来先服务的调度和时间片轮转调度。

对不同类型的进程，进程调度策略不同：

对实时进程一般使用FIFO，时间片轮转调度策略

对普通进程一般使用时间片轮转调度策略

进程调度中的优先级：

实时进程>交互进程>普通进程

进程调度的时机

1.什么时候需要进程调度？

主动放弃：（1）进程正常终止 （2）运行过程中发送异常而终止（3）主动阻塞（如 等待I/O）

被动放弃：（1）分给进程的时间片用完 （2）有更紧急的事情需要处理（如I、O中断）（3）有更高级的进程进入就绪队列

2.什么时候不能进行进程调度？

在处理中断的过程中
进程在操作系统内核程序临界区
原子操作过程中（原语）

 

三，中断

Linux工作在intel指令特权级Ring0和Ring3上，它们分别代表Linux的内核态和用户态

中断处理的过程：

在内核态堆栈中保存IRQ的值和寄存器的内容

为正在给IRQ线服务的PIC发送一个应答，这将允许PIC进一步发出中断

执行共享这个IRQ的所有设备的中断服务例程ISR

跳到ret_from_intr()的地址后终止

四，文件系统

文件系统的数据结构

超级块对象（superblock object）

　　存放文件系统相关信息：例如文件系统控制块

索引节点对象（inode object）

　　存放具体文件的一般信息：文件控制块/inode

　　Inode对象内包含了内核在操作文件或目录时需要的全部信息，文件名可以更改，但inode对文件是唯一的，且随文件的存在而存在。 

文件对象（file object）

　　存放已打开的文件和进程之间交互的信息 ，

目录项对象（dentry object） 

　　每一个文件除了有一个inode数据结构外，还有一个dentry数据结构与之关联

　　dentry数据结构可以加快对文件的快速定位，改进文 件系统的效率

 

虚拟文件系统

要实现操作系统对其它各种不同文件系统的支持，就要将对各种 不同文件系统的操作和管理纳入到一个统一的框架中。对用户程 序隐去各种不同文件系统的实现细节，为用户程序提供一个统一 的、抽象的、虚拟的文件系统界面，这就是所谓的虚拟文件系统 （Virtual File System Switch，VFS）

虚拟文件系统的作用

VFS是一个软件层，用来处理与Unix标准文 件系统相关的所有系统调用。

是用户应用程序与文件系统实现之间的抽象层

能为各种文件系统提供一个通用的、统一的 接口

 

五，影响Linux性能的因素和优化

因素：

1．CPU

　　CPU是操作系统稳定运行的根本，CPU的速度与性能在很大程度上决定了系统整体的性能，因此，CPU数量越多、主频越高，服务器性能也就相对越好。但事实并非完全如此。 目前大部分CPU在同一时间内只能运行一个线程，超线程的处理器可以在同一时间运行多个线程，因此，可以利用处理器的超线程特性提高系统性能。在Linux系统下，只有运行SMP内核才能支持超线程，但是，安装的CPU数量越多，从超线程获得的性能方面的提高就越少。另外，Linux内核会把多核的处理器当作多个单独的CPU来识别，例如两个4核的CPU，在Lnux系统下会被当作8个单核CPU。但是从性能角度来讲，两个4核的CPU和8个单核的CPU并不完全等价，根据权威部门得出的测试结论，前者的整体性能要比后者低25％~30％。 可能出现CPU瓶颈的应用有邮件服务器、动态Web服务器等，对于这类应用，要把CPU的配置和性能放在主要位置。

　　2．内存

　　内存的大小也是影响Linux性能的一个重要的因素，内存太小，系统进程将被阻塞，应用也将变得缓慢，甚至失去响应；内存太大，导致资源浪费。Linux系统采用了物理内存和虚拟内存两种方式，虚拟内存虽然可以缓解物理内存的不足，但是占用过多的虚拟内存，应用程序的性能将明显下降，要保证应用程序的高性能运行，物理内存一定要足够大；但是过大的物理内存，会造成内存资源浪费，例如，在一个32位处理器的Linux操作系统上，超过8GB的物理内存都将被浪费。因此，要使用更大的内存，建议安装64位的操作系统，同时开启Linux的大内存内核支持。 由于处理器寻址范围的限制，在32位Linux操作系统上，应用程序单个进程最大只能使用2GB的内存，这样以来，即使系统有更大的内存，应用程序也无法“享”用，解决的办法就是使用64位处理器，安装64位操作系统。在64位操作系统下，可以满足所有应用程序对内存的使用需求，几乎没有限制。 可能出现内存性能瓶颈的应用有打印服务器、数据库服务器、静态Web服务器等，对于这类应用要把内存大小放在主要位置。

　　3．磁盘I/O性能 磁盘的I/O性能直接影响应用程序的性能，在一个有频繁读写的应用中，如果磁盘I/O性能得不到满足，就会导致应用停滞。好在现今的磁盘都采用了很多方法来提高I/O性能，比如常见的磁盘RAID技术。

　　RAID的英文全称为：RedundantArrayofIndependentDisk，即独立磁盘冗余阵列，简称磁盘阵列。RAID通过将多块独立的磁盘（物理硬盘）按不同方式组合起来形成一个磁盘组（逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的I/O性能和数据冗余。 通过RAID技术组成的磁盘组，就相当于一个大硬盘，用户可以对它进行分区格式化、建立文件系统等操作，跟单个物理硬盘一模一样，唯一不同的是RAID磁盘组的I/O性能比单个硬盘要高很多，同时在数据的安全性也有很大提升。

　　根据磁盘组合方式的不同，RAID可以分为RAID0，RAID1、RAID2、RAID3、RAID4、RAID5、RAID6、RAID7、RAID0+1、RAID10等级别，常用的RAID级别有RAID0、RAID1、RAID5、RAID0+1，这里进行简单介绍。

　　RAID0：通过把多块硬盘粘合成一个容量更大的硬盘组，提高了磁盘的性能和吞吐量。这种方式成本低，要求至少两个磁盘，但是没有容错和数据修复功能，因而只能用在对数据安全性要求不高的环境中。

　　RAID1：也就是磁盘镜像，通过把一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上，最大限度地保证磁盘数据的可靠性和可修复性，具有很高的数据冗余能力，但磁盘利用率只有50%，因而，成本最高，多用在保存重要数据的场合。

　　RAID5：采用了磁盘分段加奇偶校验技术，从而提高了系统可靠性，RAID5读出效率很高，写入效率一般，至少需要3块盘。允许一块磁盘故障，而不影响数据的可用性。

　　RAID0+1：把RAID0和RAID1技术结合起来就成了RAID0+1，至少需要4个硬盘。此种方式的数据除分布在多个盘上外，每个盘都有其镜像盘，提供全冗余能力，同时允许一个磁盘故障，而不影响数据可用性，并具有快速读/写能力。 通过了解各个RAID级别的性能，可以根据应用的不同特性，选择适合自身的RAID级别，从而保证应用程序在磁盘方面达到最优性能。

　　4．网络宽带

　　Linux下的各种应用，一般都是基于网络的，因此网络带宽也是影响性能的一个重要因素，低速的、不稳定的网络将导致网络应用程序的访问阻塞，而稳定、高速的网络带宽，可以保证应用程序在网络上畅通无阻地运行。幸运的是，现在的网络一般都是千兆带宽或光纤网络，带宽问题对应用程序性能造成的影响也在逐步降低。

优化：

1．系统安装优化

　　系统优化可以从安装操作系统开始，当安装Linux系统时，磁盘的划分，SWAP内存的分配都直接影响以后系统的运行性能，例如，磁盘分配可以遵循应用的需求：对于对写操作频繁而对数据安全性要求不高的应用，可以把磁盘做成RAID0；而对于对数据安全性较高，对读写没有特别要求的应用，可以把磁盘做成RAID1；对于对读操作要求较高，而对写操作无特殊要求，并要保证数据安全性的应用，可以选择RAID5；对于对读写要求都很高，并且对数据安全性要求也很高的应用，可以选择RAID01。这样通过不同的应用需求设置不同的RAID级别，在磁盘底层对系统进行优化操作。

　　随着内存价格的降低和内存容量的日益增大，对虚拟内存SWAP的设定，现在已经没有了所谓虚拟内存是物理内存两倍的要求，但是SWAP的设定还是不能忽略，根据经验，如果内存较小（物理内存小于4GB），一般设置SWAP交换分区大小为内存的2倍；如果物理内存大于4GB小于16GB，可以设置SWAP大小等于或略小于物理内存即可；如果内存大小在16GB以上，原则上可以设置SWAP为0，但并不建议这么做，因为设置一定大小的SWAP还是有一定作用的。

　　2．内核参数优化

　　系统安装完成后，优化工作并没有结束，接下来还可以对系统内核参数进行优化，不过内核参数的优化要和系统中部署的应用结合起来整体考虑。例如，如果系统部署的是Oracle数据库应用，那么就需要对系统共享内存段（kernel.shmmax、kernel.shmmni、kernel.shmall）、系统信号量（kernel.sem）、文件句柄（fs.file-max）等参数进行优化设置；如果部署的是Web应用，那么就需要根据Web应用特性进行网络参数的优化，例如修改net.ipv4.ip_local_port_range、net.ipv4.tcp_tw_reuse、net.core.somaxconn等网络内核参数。

　　3．文件系统优化

　　文件系统的优化也是系统资源优化的一个重点，在Linux下可选的文件系统有ext2、ext3、xfs、ReiserFS，根据不同的应用，选择不同的文件系统。

　　Linux标准文件系统是从VFS开始的，然后是ext，接着就是ext2，应该说，ext2是Linux上标准的文件系统，ext3是在ext2基础上增加日志形成的，从VFS到ext3，其设计思想没有太大变化，都是早期UNIX家族基于超级块和inode的设计理念。

　　

六，总结

感谢孟老师和李老师的教学与付出, 让我对linux操作系统的设计与实现理论有了初步的了解。通过学习《Linux操作系统分析》理论课及多次实验，我对linux的兴趣更深入了一步，受益匪浅。