Linux课程作业

一. Linux系统概述

　　Linux内核主要有 5个子系统组成：进程调度 (SCHED) ,内存管理 (MM) ,虚拟文件系统 (VFS) ,网络接口 (NET)和进程间通信 ( IPC )。

　　1、进程调度
　　进程在进程调度子系统中微观串行，宏观并行。其余 4 个子系统都依赖于进程调度系统，因为每个子系统也需要挂起或恢复进程，当它们需要做这些工作时，都得和进程调度子系统打交道。进程的睡眠有两种情况，一种是因为得不到请求的资源而进入“深度睡眠”(TASK_UNINTERRUPTIBLE)，深度睡眠直到得到请求的资源后才会醒来，其间不可被打断；另外一种是由于时间片用完，而进入的“浅度睡眠”(TASK_INTERRUPTIBLE)，在浅度睡眠时，如果给进程发一个信号，它就会醒过来。在设备驱动编程中，当请求的资源不能得到满足时，驱动一般会调度其他进程执行，其对应的进程进入睡眠状态，直到它请求的资源被释放，才会被唤醒而进入到就绪状态。

　　设备驱动中，如果需要几个并发执行的任务，可以启动内核线程，启动内核线程的函数为：

　　int kernel_thread(int(*fn)(void *),void *arg,unsigned long flags);

　　2、内存管理
　　内存管理的主要作用是控制多个进程安全地共享主内存区域。当 CPU 带有内存管理单元 (MMU)时，Linux 内存管理完成为每个进程进行虚拟内存到物理内存的转换。Linux 2.6 内核可以支持无 MMU 的 CPU

一般而言，Linux 的每个进程享有 4GB 的内存空间，0～3GB 属于用户空间，3～4GB 属于内核空间，内核空间对常规内存，I/O设备内存以及高端内存有着不同的处理方式。　　　　

　　3、虚拟文件系统
　　Linux 虚拟文件系统 (VFS) 隐藏了各种硬件的具体细节，为所有的设备提供了统一的接口。而且，它独立于各个具体的文件系统，是对各种文件系统的一个抽象，它使用超级块 super block 存放文件系统相关信息，使用索引结点 inode 存放文件的物理信息，使用目录项项 dentry 存放文件的逻辑信息。

　　4、网络接口
　　网络接口提供了对各种网络的标准存取和各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序，网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议，网络设备驱动程序负责硬件设备进行通信，每一种可能的网络硬件设备都有相应的设备驱动程序。

　　5、进程间的通信

　　Linux 支持多种通信机制，如信号量，共享内存，管道，信号等，这些机制可以协助多个进程、多资源的互斥访问、进程间的同步和消息传递。

二、模型验证 

　　当应用进程（如c语言使用malloc）申请内存时，调用系统api,系统从用户态进入内核态，在Linux系统上，程序被载入内存时，内核为用户进程地址空间建立了代码段、数据段和堆栈段，在数据段与堆栈段之间的空闲区域用于动态内存分配。 内核数据结构mm_struct中的成员变量start_code和end_code是进程代码段的起始和终止地址，start_data和 end_data是进程数据段的起始和终止地址，start_stack是进程堆栈段起始地址，start_brk是进程动态内存分配起始地址（堆的起始 地址），还有一个 brk（堆的当前最后地址），就是动态内存分配当前的终止地址。 C语言的动态内存分配基本函数是malloc()，在Linux上的基本实现是通过内核的brk系统调用。brk()是一个非常简单的系统调用，只是简单地改变mm_struct结构的成员变量brk的值。 mmap系统调用实现了更有用的动态内存分配功能，可以将一个磁盘文件的全部或部分内容映射到用户空间中，进程读写文件的操作变成了读写内存的操作。在 linux/mm/mmap.c文件的do_mmap_pgoff()函数，是mmap系统调用实现的核心。do_mmap_pgoff()的代码，只是新建了一个vm_area_struct结构，并把file结构的参数赋值给其成员变量m_file，并没有把文件内容实际装入内存。

三、影响应用程序性能表现的因素　

　　把应用程序带入模型分析性能

• 首先，应用程序需要从磁盘拷贝到内存，需要进行逻辑地址 -> 线性地址 ->物理地址的转换，这里可以通过快表机制来提升性能
• 由物理地址定位到磁盘地址, 需要进行I/O请求, 可以采用不同的磁盘调度策略来影响性能
• 将应用程序读取到内存之后，其所在的进程也创建起来了，此时通常会调用fork系统调用来创建子进程，系统调用的保存和恢复现场对应用程序的启动运行也有一定的影响. 通过CPU内部的存储器来快速保存现场和恢复
• 系统调用前期处理完，接下来需要对子进程内部资源（地址空间、页表、打开文件列表等）进行初始化，传统的进程创建（传统UNIX），是把父进程的所有资源复制到子进程中，即把父进程的地址空间中的内容全部复制到子进程的地址空间中，既耗时又效率低

• 进程创建完，就被作为可运行态进程放入运行队列中，若是没有其他IO请求或资源请求，就等待CPU资源，然后被执行，这里就该采用进程调度算法来进行进程的调度, 采用合适的调度算法可以使进程的性能提高

• 在运行过程中，由于内存容量的限制，有时不可避免地会发生缺页异常，需要进行页面置换，从分配的物理页中选择一页换出去，再将需要的页从磁盘换进来，该如何选取被换出的页，也是一个影响程序性能的重要因素，如果页面置换算法选取不当，就会导致较大的缺页率，从而需要频繁地读取磁盘，换进换出。