Linux操作系统总结
一、Linux的启动
1、初始化系统文件
在讨论Linux的各项内容之前，我们先要将Linux运行起来。Linux的启动过程中主要是要进行内核根文件系统的挂载，有了内核系统根文件才能访问到所有其他文件。其加载过程为：首先进行内核参数处理，从BIOS寄存器读取必要信息和参数，setup_arch() 函数完成参数的获取和存储。然后进行根文件系统的挂载：（1）挂载一个虚拟的挂载点rootfs（2）将root作为0号进程的根目录，这样root就是所有进程的父进程（3）将这个实际的根目录挂载到根文件挂载点上。至此，根文件系统就完成了挂载。
随后系统会执行kernel_start( )函数，里面调用initcall( )函数，进行一系列的初始化动作。至此，Linux的初始化工作完成，下面简单介绍一个具体功能初始化的过程。
2、时钟初始化
Linux使用两个时钟源，一个定时中断源（PIT），一个计时时钟源（TSC），中断源产生中断，计时源用于更新时间，如果只用其一，都会产生一些问题。前面说了在start_kernel( )函数中进行了许多进程的初始化，这里只具体分析一下时钟的初始化过程。
计时时钟源数据结构：（1）身份标识（2）jiffies变量：开机以来的时间（3）Xtime：当前墙上时间。两个变量由中断时间源决定何时改变。
Linux内核中有个时钟源链表，其中记录了所有注册的时钟源，每次选择其中最精确的时钟源（链表头部）。start_kernel( )函数一开始会执行initcall( )把所有初始化相关的都执行一遍，包括时钟源的初始化clocksource_register( )，执行完后时钟源链表中就有了pit时钟源。
定时时钟源（pit）中断处理程序运行时，实际上就触发了两个函数，用于更新墙上时间和开机以来的时间，随后当前进程计时时间片减一（涉及到时间片轮转）。
二、进程相关
1、调度
对于进程的调度，有一个十分主要的数据结构称为可运行队列。
如图，array中是一个结构体，包含链表数、位图、140个优先级
array[0]是过期进程：进程刚刚被运行过
array[1]是活跃进程：处于就绪态的进程
先调用活跃进程（找进程优先级最高的），如果活跃的为空，则把过期的进程全部复制到活跃里，继续执行。实际上过期的进程也是可执行进程，比如时间片到了但未执行完的进程。
调度过程：先看活跃进程中进程数是否为0，如果为0则将过期进程中进程都拷贝过来，然后查找位图找到优先级最高的进程链表，取链表头作为下一个执行线程。
进程调度时机：
（1）进程状态变换时
（2）时间片用完
（3）进程系统调用返回到用户态时
（4）中断处理后，进程返回到用户态
Linux的进程调度机制：（1）基于优先级调度，实时进程优先级高于普通进程（2）动态优先级，避免饥饿（3）对实时进程和普通进程有不同的调度策略；普通进程基于动态优先级的时间片轮转算法；实时进程先进先出和时间片轮转（实时进程永远都在活跃进程里，不可能进入过期进程）。
如何判断进程种类？
动态优先级<=3*静态优先级/4+28，则是实时进程，否则是普通进程
2、运行
Linux内核的一般执行过程
（1）A进程运行
（2）发生中断
（3）swapgs保存现场，切换到A进程内核空间（加载内核栈栈顶到rsp寄存器）
（4）执行进程调度算法，中断返回前调用schedule函数来完成
（5）调用switch_to完成上下文切换
（6）恢复上下文
（7）此时已切换到进程B运行
3、切换
进程的切换重点在于一些主要寄存器的存储和切换，如RBP和RSP的切换。课上讲解了进程切换的主要汇编代码，这里再复习一次：
1）"pushq %%rbp\n\t"
将rbp中的值压入堆栈中，这步完成来rbp的存储（当前进程栈基地址）
2）"movq %%rsp,%0\n\t"
将rsp中的值存入thread.sp中，完成rsp的存储
3）"movq %2,%%rsp\n\t"
将next.thread.sp的值传入rsp中，也就是rsp表示的栈顶指针指向下一个进程的内存区
4）"movq $1f,%1\n\t"
将$1f存入thread.ip中
5）"pushq %3\n\t"
将thread.ip的值（$1f）压入栈中，因为要完成rip的存储切换，但rip不能随意更改，只能通过堆栈操作进行更改，所以使用这样的方法来保存
6）"ret\n\t"
pop next.thread的rip，执行next.thread也就是$1后面的语句
7）"popq %%rbp\n\t"
pop出的值存入rbp中，也就是rbp指向当前进程的栈底
三、中断和异常
中断和异常的作用和其对操作系统的重要意义就不多赘述了，这里分析一下中断的大致过程。
首先明确中断和异常处理程序只能在内核态运行，且中断处理进程只能占用被中断进程的内存空间，比如A进程中断了C进程，那么A进程只能在C进程的kernel_stack运行。中断处理程序中没有调度程序存在，只有中断可以打断中断的执行。
1、如何引起中断？
IRQ线发送一个信号给中断控制器，控制器将这个信号转换成对应中断向量，将中断向量值发送到data线上同时发送INTR信号告知cpu中断来临，cpu读中断向量。0~31信号是异常，32之后为中断向量。
2、硬件级中断过程
中断过程中自动保存的寄存器：ss、sp、flags、cs、eip、硬件出错码。
（1）获得中断向量i
（2）去IDT表中读第i项，拿到段选择符
（3）去GDT表中根据段选择符找段描述符（段的详细信息，基地址长度等）
（4）比较gdt中代码段的权限是否大于当前cs的权限
（5）从（4）中判断，若gdt>cs则是用户态进入内核，gdt=cs则是内核态。如果是用户态就要先转换至内核态再进行运行。步骤为：（1）得到被中断进程内核栈（2）改变cpu指向即改变ss和esp寄存器（3）在新栈中保存用户态的栈信息，也就是保存现场的一部分
（6）若引起中断的是故障，如前面所说，故障的eip存的是引起故障的地址，那么在处理前就先修改cs和eip，因为cs和eip存的是下一条指令地址，处理完之后恢复现场回去再执行一次。
（7）保存现场eflags、cs、eip（在被中断进程的内核栈）
（8）保存出错码
（9）装载中断处理程序的cs和eip
四、文件系统
文件系统是Linux中最直接可见的一部分，它是计算机组织、存储和保存信息的重要手段。本课中学到的文件系统主要是文件系统的结构以及一些文件操作如open、write、read等的执行过程。
比如此时要进行文件的打开，内核通过cdev字符设备结构体（fileoptarion和设备号）来对设备（本例中是读写磁盘）进行管理，调用fileoperation(具体实现函数的集合)时就会执行diskopen，因为在file里定义了具体的实现。
系统调用打开文件执行过程：
（1）open函数判断文件类型，设备文件则用设备文件打开方式
（2）新建一个struct_file结构，里面有fileoperation
（3）fileoperation会和innode中的cdev绑定，cdev中的opretion来自内核注册的op，即执行open时相当于执行open_light
（4）在fd中找一个空闲块添加struct_file结构体链接
（5）返回fd索引号（open结束）
之前以为文件系统就是存储用户要储存的信息的功能，学完之后才发现其用途十分广泛。
五、总结
之前在学习操作系统时大致的了解操作系统的内存管理、文件管理、进程管理、中断等基础知识，但从未从内核源码级别去了解过。这门课让我在课上课下阅读了一定量的Linux内核源码，使我更加直观深入的了解了操作系统的实现。但目前由于我汇编基础较差，代码阅读量不够，许多地方止步于老师讲解的内容，并不能将内容连接成一个整体融会贯通，希望以后能够更进一步，将所学用于实际。
