课程学习总结报告

linux基本思想

Linux的基本思想有两点：第一，一切都是文件；第二，每个软件都有确定的用途。

　　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。在UNIX系统中，把一切资源都看作是文件，包括硬件设备。UNIX系统把每个硬件都看成是一个文件，通常称为设备文件，这样用户就可以用读写文件的方式实现对硬件的访问。这样带来优势也是显而易见的
　　在unix中要了解文件系统，就要先了解文件链接的概念。在一个磁盘中有n个分区，一个分区又有自举块，超级块，柱面组等的概念组成的文件系统。柱面组下又分节点，数据块等。由磁盘，分区到文件系统一层一层的嵌套。下图是Linux整体分层结构图

 

Linux中断

Linux中断分为硬中断和软中断。

硬中断是由硬件设备触发的中断。I/O设备要产生硬中断时，会由中断控制器发送一个电信号，内核的设备驱动程序接收到这个电信号，就会调用相应的中断处理函数对这个中断进行处理。硬中断可以在任何时刻到来，它代表的系统必须马上处理的紧急任务，也简称为中断的上半部，与此对应的是中断下半部(buttom half)，也称为软中断，代表的系统不必马上处理的、没那么紧急的任务。

软中断处理函数一般在硬中断处理函数的末尾调用。硬中断处于所谓的“中断上下文中”。与此对应的是“进程上下文”。下面解释一下进程上下文，每个用户进程都可以分为用户态和内核态，一般情况下进程运行在用户态，当进程调用系统调用函数时，会进入内核态，这个时候进程就处于内核态的“进程上下文”中，当然内核的线程也属于进程上下文，如ksoftirqd线程。所以内核态有两种上下文，一种是“中断上下文”，一种是“进程上下文”。中断上下文一般处理一些耗时不是很长，对实时性要求很高，执行频度较高的应用。

比较特殊的是软中断，软中断会在中断处理完成后返回时执行,这个时候是处于中断上下文中的。在以前的内核版本中，没有出现ksoftirqd内核线程来防止软中断的重复调用，此时软中断会一直运行在“中断上下文中”。在后期的内核版本中，为了防止执行软中断的时候软中断又一直被触发,而让别的进程等的太久的情况发生, 在执行次数到了一个最大值的时候就执行内核线程ksoftirqd,然后中断就返回了.而不是一直 执行软中断.在ksoftirqd这个内核线程中执行软中断，此时就是在进程上下文中了。此时，软中断极可能出现在“中断上下文”，也可能出现在“进程上下文”。

中断有各自的优先级，以响应不同的处理请求。软中断的优先级相对来说处于低位，可被硬中断中断，但不会被用户的代码中断。而

硬中断不可能被其他中断中断。

中断上下文与进程上下文的不同之处：

（1）中断是异步执行的，它们可以在任何时间发生。

（2）中断上下文中不能调用调度器，因而不能自动地放弃控制权。

（3）中断处理程序不能进入睡眠状态。原因是中断上下文不允许中断，进程睡眠后，内核只能永远地等待下去。

 Linux进程

Linux是一个多用户多任务的操作系统。

进程的特性
（1）并发性：可以与其它进程在宏观上同时向前推进（一会在下面讲解和并行性的区别）。
（2）动态性：进程是执行中程序，动态产生、动态消亡、动态变化。
（3）独立性：进程是系统资源分配的基本单位。
（4）交往性：与其它进程可以进行交互。
（5）异步性：不统一推进。
（6）结构性：每个进程有一个控制块PCB。
（7）并行性：只有在多cpu多处理器的计算机上，进程才能并行执行。

进程需要了解 进程，父进程，进程组,会话和控制终端的相关概念。

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

linux系统调用

系统调用和普通函数调用非常相似，区别仅仅在于，系统调用由操作系统内核实现，运行于内核态；而普通函数调用由函数库或用户自己提供，运行于用户态。

系统调用工作原理：应用程序首先用适当的值填充寄存器，然后调用一个特殊的指令跳转到内核某一固定的位置，内核根据应用程序所填充的固定值来找到相应的函数执行。

内核根据应用程序传递来的系统调用号，从系统调用表sys_call_table找到相应的内核函数。

  CALL(sys_restart_syscall)

  CALL(sys_exit)

  CALL(sys_fork_wrapper)

向内核中添加新的系统调用，需要执行3个步骤：

  1.添加新的内核函数

  2.更新头文件unistd.h

  3.针对这个新函数更新系统调用表calls.S

 

内存管理

Linux管理内存时使用了虚拟内存，它使得每个应用程序都认为自己拥有独立且连续的可用的内存空间（一段连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被映射到多个物理内存段，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时再加载到内存中来。

当进程执行一个程序时，需要先从内存中读取该进程的指令然后执行，获取指令时用到的就是虚拟地址，这个地址是程序链接时确定的（内核加载并初始化进程时会调整动态库的地址范围），为了获取到实际的数据，CPU需要将虚拟地址转换成物理地址，CPU转换地址时需要用到进程的page table，而page table里面的数据由操作系统维护。

 

 

 

心得体会与改进建议

本门课程的学习，不仅接触到了很多Linux内核的实现细节，而且对内核原理也给出了很精要的概括。学习完课程最大的体会就是，对自己以前学过的操作系统课程有了更清晰的概念，知道了理论究竟是如何在具体应用中实现的。要增加自己Linux的技能，要多多增加实践。了解了进程的创建与调度，了解了Linux的启动过程，了解了中断是什么，中断是如何发生的以以及cpu相关的操作，文件系统的制作与挂载。由孟老师和李老师深入浅出的讲解，带领我一步步的认识Linux操作系统，多谢老师在疫情期间坚持不懈的讲课，我才能通过老师的讲课得到这么多的收获。