Linux实验总结分析报告
从整体而言，Linux系统分为用户空间和内核空间两部分，按照功能可以划分为进程管理、内存管理、文件管理以及设备管理，这些有关计算机底层的操作都只能在内核空间进行。
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完整的Linux内核运行于内核空间，它管理底层的所有硬件设备；
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用户空间可以通过系统调用接口来使用特权操作，存在一个用户态向内核态的切换过程；
Linux 内核
Linux内核运行在内核空间，向下负责管理计算机系统的硬件设备，向上为应用程序提供服务支持。主要提供以下服务：系统调用接口、中断管理、进程管理、内存管理、文件系统以及硬件驱动程序。
进程管理
进程是处于执行期的程序以及相关资源的总称。线程在linux上称为轻量级进程，没有独立的地址空间，一个进程下的所有线程共享地址空间、文件系统资源、文件描述符、信号处理程序等。
进程管理是一个操作系统内核的核心实现部分，进程的调度管理等一系列操作都由此完成；
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什么是进程？在Linux内核中，一个进程使用一个PCB（task_struct）来描述一个进程，进程是一个程序的执行过程，是程序的动态体现。
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进程的状态：有五个，创建 / 就绪 / 阻塞 / 运行 / 结束，其中最主要的状态有三个： 就绪 / 阻塞 / 运行。
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进程的切换：通过切换进程的虚拟地址空间和CPU的执行上下文实现。即：切换⻚全局⽬录（CR3）以安装⼀个新的地址空间 和 切换内核态堆栈和进程的CPU上下⽂，因为进程的CPU上下⽂提供了内核执 ⾏新进程所需要的所有信息，包含所有CPU寄存器状态。
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调度时机：有三种
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内核线程主动调用schedule函数
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用户进程上下文中主动调用系统调用，进入中断上下文，在系统调用返回用户态前进行进程调度
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内核进程或可中断的中断处理程序，执行过程中发生中断进入中断上下文，在中断返回前进行进程调度
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内存管理
内存是计算机系统中主要的资源，在Linux中，内存空间被分为用户空间和内核空间两大块。
用户线程申请内存，不会直接分配，而是“懒”分配，只是给了一个新的线性地址空间的一个使用权，直到后续使用到这块内存的时候，才产生缺页中断，进行真正的分配。如果是内核线程申请分配内存，则会直接分配。
内核使得多个进程安全而合理地共享内存资源，为每个进程在有限的物理资源上建立一个虚拟地址空间。
文件系统
在LINUX系统中有一个重要的概念：一切都是文件。 其实这是UNIX哲学的一个体现，而Linux是重写UNIX而来，所以这个概念也就传承了下来。所有的“文件”都可以用统一的接口（open，close，read，write）实现
文件系统不仅包含着文件中的数据而且还有文件系统的结构，所有Linux 用户和程序看到的文件、目录、软连接及文件保护信息等都存储在其中。
Linux下文件系统的体系结构如下：
中断管理
中断是指CPU在执行过程中，出现某些突发事件急待处理，CPU暂停执行当前程序，转去处理突发事件，处理完后CPU又返回原程序被中断的位置继续执行。
Linux有两种中断类型：
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硬中断（可屏蔽，NMI除外），是指由请求响应的设备发出的（磁盘I/O中断、网络适配器中断、键盘中断、鼠标中断）
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软中断（不可屏蔽），是指被用于处理可以延迟的任务（TCP/IP操作，SCSI协议操作等等）
为了满足系统的实时性要求，中断的处理应该要越快越好。Linux中为了实现这个特点，当中断发生的时候，硬中断处理那一些短时间内就可以完成的工作，而将那些处理时间比较长的工作，放在中断之后来完成，也就是软中断来完成。
系统调用接口
计算机系统的各种硬件资源是有限的，在现代多任务操作系统上同时运行的多个进程都需要访问这些资源，为了更好的管理这些资源进程是不允许直接操作的，否则会出现一些不可预估的错误，所有对这些资源的访问都必须由操作系统控制。也就是说使用这些资源的必须通过操作系统提供的入口，而这个入口就是操作系统提供的系统调用，比如 malloc 函数就是通过函数 api 来调用系统调用来分配内存的。
硬件驱动程序
设备驱动程序是计算机硬件与应用程序的接口，是软件系统与硬件系统沟通的桥梁。如果没有设备驱动程序，那么硬件设备就只是一堆废铁，没有什么功能。
我们应该为不同的硬件设备提供不同的驱动程序，同一类硬件设备，应当可以通过相同的驱动程序来驱动，为用户屏蔽一些硬件设备的底层实现细节，而提供同一的操作API接口，比如打印机。
举例验证
以读写文件为例。
读文件：
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进程调用库函数发起读文件请求
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内核通过检查进程的 fd 定位到 VFS 的已打开文件列表表项
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调用该 fd 可用的系统调用函数 read()
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read() 函数根据传入的文件路径，在目录项模块中检索，找到该文件的 Inode
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在 Inode 中通过文件内容偏移量计算出要读取的页
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找到文件对应的 address_space
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在页缓存树中，查找相应的页缓存结点，这其中可能会发生缺页异常，
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完成读文件
写文件：
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与读文件的步骤一致，直到查找页缓存结点是否存在
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如果缓存命中，直接写到页缓存中即可；如果缓存缺失，产生缺页异常，从磁盘中 load 相应的页到缓存后，再写缓存即可。
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缓存页如果被修改过，则会标记为脏，有两种刷脏方式：
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手动调用 sync() 或 fsync() 函数写回磁盘
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pdflush 进程定时刷脏
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影响性能的因素
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CPU：CPU 的速度与性能很大一部分决定了系统整体的性能，CPU的调度策略和代码优化策略也会对程序执行产生影响。因此 CPU 数量越多、主频越高，服务器性能也应该越好，但并不总是这样。因为目前大部分 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，因而可以利用处理器的超线程特性提髙系统性能。而在 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上的提高就越少。
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内存：内存大小也是制约性能的一大因素，从容量到频率到双通道。内存如果太小，会频繁触发缺页中断，进程相应地会被阻塞，整个系统的速度也会被拖慢。Linux系统提供虚拟内存来缓解内存不足的问题，但是占用过多的虚拟内存，应用程序的性能将明显下降，因为这是由硬件特性所决定的。
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磁盘IO能力：磁盘IO在当今这个CPU和内存配置都趋同的背景下，可以算得上是最影响用户体验的一个部分，尤其是机械硬盘同固态硬盘进行比较的时候，差距更是明显。因为我们日常使用中所有的程序都是在硬盘中的，只有在用到的时候才会加载到内存中，所以磁盘IO的性能就显得尤为重要了。
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网络带宽：如果我们的应用是基于互联网的，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、高速的带宽，可以保证应用程序在网络上畅通无阻地运行。
致谢
感谢孟老师和李老师这个学期的细心教导，让我更深层次的了解了Linux系统。
