课程学习总结报告

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进程地址空间

linux把进程地址空间分为内核区和用户区。有关于操作系统内核的代码和数据被映射到内核区，进程的代码和数据被映射到虚拟内存的用户区。进程地址空间中有很多离散的虚存区间，也就是说分配给进程的地址空间未必连续。线性区的概念来自于给用户态进程分配内存，用户态申请空间，和内核态申请内存不同，它不直接分配内存，而是仅仅分配一个线性地址区间，当然这个区间也包含在进程地址空间中，没有获得实际的物理页框，所以还不能使用，称为线性区。内存描述符是管理进程地址空间全部信息的结构。具体结构如下：

 

 每个进程都会有这样一个内存描述符mm_struct，进程描述符的mm字段指向mm_struct结构。另外，所有内存描述符通过其中的mmlist域连接到一个双向链表上。内核调用mmap()等调用分配了线性地址空间给进程，没有分配实际物理页框。当访问到对应的空间时，由于没有物理页框，发生缺页中断，会调用缺页异常处理函数do_page_fault，在一系列条件判断通过后，按照请求调页或者写时复制的策略分配页框。

 

中断和异常

中断和异常在计算机中起着重要作用，可以改变处理器当前的指令执行顺序。中断和异常产生的信号在这里我们统称为“中断信号”。但是实际上中断和异常的含义范畴是不同的。中断通常是指的的外部设备或者定时器产生的硬件的中断，分为可屏蔽中断和非可屏蔽中断。异常则主要分为：故障、陷阱、异常中止，往往和指令执行相关。需要注意两点：中断上下文在被中断进程的内核栈中、中断程序不会被用户进程抢占，但可以发生中断嵌套。

中断和异常的主要处理过程：

1、通过中断控制器的I/O端口得到中断向量i

2、从idtr寄存器中获取中断向量表IDT的基地址，然后结合中断向量i得到表的第i项

3、通过gdtr寄存器找到全局描述表GDT的基地址，再通过cs段选择符找到对应的段描述符，在段描述符中找到代码段的基地址，然后再加上eip就得到中断处理程序的入口。

4、比较被中断进程的权限（在cs中的CPL）是否高于中断处理程序（GDT表项中的DPL）的权限，若是，进入异常。

5、从上一步判断是中断嵌套还是用户态中断。若是从用户态中断，需要切换到内核栈，并在内核栈中保存用户栈的ss和esp。

6、在栈中继续保存：eflags、cs、eip（若有硬件出错码，也压栈）。

7、用IDT中得到的段选择符和偏移量字段装载cs和eip，下一步就会进入中断处理入口。

以上都是中断和异常发生时，硬件自动处理部分，程序员不可见。

 

 

如上图，左边为用户态进入的中断，右边的栈为中断嵌套时的栈。对于中断和异常的返回，是用一条iret指令执行的，这条指令使得：1、将栈中的eflags、eip、cs弹栈装载到CPU。2、如果是用户态进入的中断，还需要继续弹栈装载ss和esp切换回用户栈。

以上是中断和异常的硬件级处理，两者流程基本相同，而中断和异常的软件级中断处理部分有所不同：

• 异常处理主要做了：1、进一步保存现场（在内核栈中保存寄存器的内容）2、调用异常处理函数（一般以以do_开头）3、从异常处理程序退出
• 中断处理主要做了：1、先将中断向量入栈  2、进一步保存现场（在内核栈中保存寄存器的内容）3、do_IRQ执行所有设备中断服务例程  4、跳转到ret_from_intr后执行完跳出中断

 

文件系统

 文件系统中，首先要提到的数据结构就是FCB（文件控制块），它是文件存在的标志，记录了系统管理文件的全部信息。在Linux中，文件控制块又被称为inode。文件控制块的有序集合构成了文件目录，每个目录项对应一个文件控制块，而为了方便文件目录的管理，操作系统又将文件目录以文件的形式存在外存，这就是目录文件。对文件可以进行一系列的基本操作，如：open、read、write、close等。其中最基本的就是open，系统调用open一般在调用后会返回一个文件描述符。

为了使操作系统支持不同类型的文件系统，我们对不同的文件系统进行了抽象，隐藏了细节的差异，为各种文件系统提供一个通用的接口，这就是：虚拟文件系统（VFS）。每一个VFS对象都有四个数据结构：超级块对象、索引节点对象、文件对象、目录项对象。

超级块对象代表一个文件系统，描述一个文件系统的信息。每种文件系统具有自己的super_block结构，每个文件系统具有一个所属文件系统类型的super_block实例。索引节点对象代表单个文件，就类似于FCB或者inode。目录项对象对应于磁盘上的目录结构。文件对象对应打开的一个文件，在文件被打开时创建，由file结构体组成。

下面这张图给出了Linux文件系统的一个逻辑结构：

 

 

结合一个open系统调用的例子，介绍整个过程的流程：

1、在C的库函数open中，使用int 0x80指令触发了系统调用。

2、在中断向量表中找到对应的中断向量号128对应的表项，得到段选择符和段内偏移

3、装载cs和eip，跳转到系统调用程序入口

4、在系统调用程序中保存现场，通过系统调用号在系统调用表中找到open对应的sys_open函数

5、执行sys_open：进行命名查找，得到文件控制块，根据文件类型调用对应的文件打开函数

6、创建文件的系统文件打开表，使用文件控制块填充其中的部分内容

7、返回到进程，在进程的文件打开表中，从fd数组中找到一个空闲的表项，将表项对应的指针指向刚才的系统文件打开表

8、返回fd数组刚才分配表项的索引号

 在上图中，task_struct是进程控制块PCB，files_struct是进程打开文件表，file结构是文件对应的系统文件打开表。

 

心得与体会

我觉得这门课和本科上的操作系统体验很不一样，以前比较注重基本的概念，例如优先级反转、进程调用算法等等，大学的时候上课也没有结合具体环境和代码分析，感觉非常抽象。这门课以linux环境，每堂课都结合了底层的代码让我们看到linux操作系统是如何运行的。感觉收获到了很多，尤其是系统调用、中断处理、内核栈分析、文件系统等等。真正地把一些看似简单的函数的调用过程搞清楚了。总之，收获很大，从两位老师那都学到了很多。

基本没有什么需要提的建议，唯一可以想到的一点就是可以适当布置理论作业，不是像博客这样总结性的，是那种有明确对错的题目，这样我们能知道自己的理解是否和正确思路有偏差，方便我们了解自己的掌握状况。