Linux课程学习总结

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。

进程管理

相关概念

1. 进程和父进程：每个进程都有父进程，而所有的进程以init进程为根，形成一个树状结构

2. 进程组：每个进程都会属于一个进程组(process group)，每个进程组中可以包含多个进程。进程组会有一个进程组领导进程 (process group leader)，领导进程的PID成为进程组的ID (process group ID, PGID)，以识别进程组。

   kill给组发送信号进程组号前加负号如：kill -9 -2189

3. 会话：一个或是多个进程组集合。 进程可以通过调用 pid_t setsid(); 来建立一个新会话，如果调用此函数的进程不是进程组长，就会创建一个新的会话，那么此时会：

   1. 该进程称为会话首进程 (session leader)
   2. 该进程称为进程组组长
   3. 该进程没有控制终端，即使之前有控制终端这种联系也会断掉

   可以使用第三个特性来创建 daemon 进程。 调用 getsid 可以获得会话首进程进程组 pid，也就是会话首进程进程 id。

4. 控制终端：

   1. 一个会话持有一个控制终端 (controlling terminal)，可以是终端设备也可以是伪终端
   2. 建立与控制终端连接的会话首进程被称为控制进程 (controlling process)
   3. 一个会话有多个进程组，允许存在多个后台进程组 (backgroup process group) 和一个前台进程组 (foregroup process group)
   4. 键入终端的中断键 (Ctrl+C) 会发送中断信号给前台进程组所有进程
   5. 键入终端的退出键 (Ctrl+) 会发送退出信号给前台进程组所有进程
   6. 终端或是网络断开会将挂断信号发送给会话首进程

进程状态

在Linux中，进程状态在task_stuct中定义及取值如下

volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */

#define TASK_RUNNING        0
#define TASK_INTERRUPTIBLE  1
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE    2
#define __TASK_STOPPED      4
#define __TASK_TRACED       8
/* in tsk->exit_state */
#define EXIT_ZOMBIE     16
#define EXIT_DEAD       32
/* in tsk->state again */
#define TASK_DEAD       64
#define TASK_WAKEKILL       128
#define TASK_WAKING     256
#define TASK_STATE_MAX      512

　　Linux进程间状态转换和内核调用图

 进程调度

内存中保存了对每个进程的唯一描述,，并通过若干结构与其他进程连接起来。调度器面对的情形就是这样， 其任务是在程序之间共享CPU时间， 创造并行执行的错觉， 该任务分为两个不同的部分,，其中一个涉及调度策略， 另外一个涉及上下文切换。

中断机制

系统调用是一种特殊的中断

中断分外部中断（硬件中断）和内部中断（软件中断），内部中断⼜称为异常（Exception），异常⼜分为故障（fault）和陷阱（trap）。系统调⽤就是利⽤陷阱（trap）这种软件中断⽅式主动从⽤户态进⼊内核态的。⼀般来说，从⽤户态进⼊内核态是由中断触发的，可能是硬件中断，在⽤户态进程执⾏时，硬件中断信号到来，进⼊内核态，就会执⾏这个中断对应的中断服务例程。也可能是⽤户态程序执⾏过程中，调⽤了⼀个系统调⽤，陷⼊了内核态，叫作陷阱（trap）。所以，系统调⽤是特殊的中断。

系统调用和库函数API的区别：系统调用会进入内核态，而库函数则未必。

系统调用的传参方式

系统调⽤从⽤户态切换到内核态，在⽤户态和内核态这两种执⾏模式下使⽤的是不同的堆栈，即进程的⽤户态堆栈和进程的内核态堆栈，传递参数⽅法⽆法通过参数压栈的⽅式，⽽是通过寄存器传递参数的⽅式。寄存器传递参数的个数是有限制的，⽽且每个参数的⻓度不能超过寄存器的⻓度，32位x86体系结构下寄存器的⻓度最⼤32位。除了EAX⽤于传递系统调⽤号外，参数按顺序赋值给EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP（64位机为RDI、RSI、RDX、RCX、R8、R9这6个寄存器），参数的个数不能超过6个，即上述6个寄存器。如果超过6个就把某⼀个寄存器作为指针。

中断过程中中断上下文的切换过程（以系统调用为例）

int $0x80指令或syscall指令触发系统调⽤机制会在堆栈上保存⼀些寄存器的值，会保存中断发⽣时当前执⾏程序的栈顶地址（ESP、RSP）、当时的状态字（EFlags、RFlags）、当时的 CS:EIP/RIP 的值。同时会将当前进程内核态的栈顶地址、内核态的状态字放⼊ CPU 对应的寄存器，并且 CS:EIP/RIP 寄存器的值会指向中断处理程序的⼊⼝。中断保存了⽤户态 CS:EIP 的值，以及当前的堆栈段寄存器的栈顶，在 EFLAGS 寄存器的当前的值保存到内核堆栈⾥。然后执行SAVE_ALL ，完成中断服务，发⽣进程调度。如果没有发⽣进程调度，就直接 restore_all 恢复中断现场，然后 iret 返回到原来的状态。

总的来说，中断的全过程是当⼀个中断信号发⽣时，CPU把当前正在执⾏的进程X的CS:RIP寄存器和RSP寄存器等都压栈到了⼀个叫内核堆栈的地⽅，然后把CS:RIP指向⼀个中断处理程序的⼊⼝，做保存现场的⼯作，然后去执⾏其他进程⽐如Y，等重新回来时再恢复现场。

课程心得

这学期的课上的坎坎坷坷，因为疫情的原因只能通过网课的形式进行授课，虽然没有耽误课程的进度，但是网课的形式还是不如线下授课的效果理想，老师也没有办法有效的得到学生的反馈，学生存在疑问或问题的时候也不能很清晰的表达给老师。这是网课的弊端。

但网课的弊端是客观原因，并不代表二位老师的授课能力和水平不优秀。从这门课上，我们能了解到过去学过的操作系统的理论知识如何实际应用到Linux当中，加深理解、记忆。在课上孟老师能够用“庄周梦蝶”这样的比喻帮助学生理解课程内容，是十分形象、有效的，能够让晦涩的知识变得形象起来，希望能够发扬这一点，让原本晦涩难懂的知识变得生动、更加好理解一些。

课堂上的实验也受益不浅，增强自己的动手能力，从实践中学习。原本觉得Linux只是一个使用的工具，没有想到其中蕴含大量的知识，一时难以全部消化和理解，在以后的学习工作中会继续努力。

在此感谢孟宁老师和李春杰老师的认真授课，也感谢助教老师的付出。只是希望以后再也没有阻止我们正常上学上课的事了...