Linux课程总结报告

 

Linux课程总结报告

精简的Linux系统概念模型

　　Linux体系结构可以分为两块：a.用户空间：用户空间中包含了，用户的应用程序，C库 b.内核空间：内核空间包括系统调用，内核，以及与平台架构相关的代码Linux系统的核心是内核。内核控制着计算机系统上的所有硬件和软件，在必要时分配硬件，并根据需要执行软件。

　　内核是操作系统的核心，具有很多最基本功能，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。

　　Linux 内核由如下几部分组成：内存管理、进程管理、设备驱动程序、文件系统和网络管理等。如图：

　　　　

 

　　系统调用接口：SCI 层提供了某些机制执行从用户空间到内核的函数调用。这个接口依赖于体系结构，甚至在相同的处理器家族内也是如此。SCI 实际上是一个非常有用的函数调用多路复用和多路分解服务。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的实现，并在 ./linux/arch 中找到依赖于体系结构的部分。 

内存管理

　　对任何一台计算机而言，其内存以及其它资源都是有限的。为了让有限的物理内存满足应用程序对内存的大需求量，Linux 采用了称为“虚拟内存”的内存管理方式。Linux 将内存划分为容易处理的“内存页”（对于大部分体系结构来说都是 4KB）。Linux 包括了管理可用内存的方式，以及物理和虚拟映射所使用的硬件机制。

　　不过内存管理要管理的可不止 4KB 缓冲区。Linux 提供了对 4KB 缓冲区的抽象，例如 slab 分配器。这种内存管理模式使用 4KB 缓冲区为基数，然后从中分配结构，并跟踪内存页使用情况，比如哪些内存页是满的，哪些页面没有完全使用，哪些页面为空。这样就允许该模式根据系统需要来动态调整内存使用。

　　为了支持多个用户使用内存，有时会出现可用内存被消耗光的情况。由于这个原因，页面可以移出内存并放入磁盘中。这个过程称为交换，因为页面会被从内存交换到硬盘上。内存管理的源代码可以在 ./linux/mm 中找到。

　　　　

 

 进程管理

　　进程实际是某特定应用程序的一个运行实体。在 Linux 系统中，能够同时运行多个进程，Linux 通过在短的时间间隔内轮流运行这些进程而实现“多任务”。这一短的时间间隔称为“时间片”，让进程轮流运行的方法称为“进程调度” ，完成调度的程序称为调度程序。

　　进程调度控制进程对CPU的访问。当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选择最值得运行的进程。可运行进程实际上是仅等待CPU资源的进程，如果某个进程在等待其它资源，则该进程是不可运行进程。Linux使用了比较简单的基于优先级的进程调度算法选择新的进程。

　　通过多任务机制，每个进程可认为只有自己独占计算机，从而简化程序的编写。每个进程有自己单独的地址空间，并且只能由这一进程访问，这样，操作系统避免了进程之间的互相干扰以及“坏”程序对系统可能造成的危害。 为了完成某特定任务，有时需要综合两个程序的功能，例如一个程序输出文本，而另一个程序对文本进行排序。为此，操作系统还提供进程间的通讯机制来帮助完成这样的任务。Linux 中常见的进程间通讯机制有信号、管道、共享内存、信号量和套接字等。

　　内核通过 SCI 提供了一个应用程序编程接口（API）来创建一个新进程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSⅨ] 函数），停止进程（kill、exit），并在它们之间进行通信和同步（signal 或者 POSⅨ 机制）。

　　　　

 

 文件管理

　　和 DOS 等操作系统不同，Linux 操作系统中单独的文件系统并不是由驱动器号或驱动器名称（如 A: 或 C: 等）来标识的。相反，和 UNIX 操作系统一样，Linux 操作系统将独立的文件系统组合成了一个层次化的树形结构，并且由一个单独的实体代表这一文件系统。Linux 将新的文件系统通过一个称为“挂装”或“挂上”的操作将其挂装到某个目录上，从而让不同的文件系统结合成为一个整体。Linux 操作系统的一个重要特点是它支持许多不同类型的文件系统。Linux 中最普遍使用的文件系统是 Ext2，它也是 Linux 土生土长的文件系统。但 Linux 也能够支持 FAT、VFAT、FAT32、MINIX 等不同类型的文件系统，从而可以方便地和其它操作系统交换数据。由于 Linux 支持许多不同的文件系统，并且将它们组织成了一个统一的虚拟文件系统.

　　虚拟文件系统（VirtualFileSystem,VFS）:隐藏了各种硬件的具体细节，把文件系统操作和不同文件系统的具体实现细节分离了开来，为所有的设备提供了统一的接口，VFS提供了多达数十种不同的文件系统。虚拟文件系统可以分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指Linux所支持的文件系统，如ext2,fat等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。

　　虚拟文件系统（VFS）是 Linux 内核中非常有用的一个方面，因为它为文件系统提供了一个通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和内核所支持的文件系统之间提供了一个交换层。即VFS在用户和文件系统之间提供了一个交换层。

　　　　

影响程序运行的因素

　　影响程序执行性能的问题，大多可分为三种：

1. 程序计算量过大，cpu是主要的瓶颈。
2. 程序需要执行大量的IO操作，cpu多数时间处于空闲状态，IO是主要的性能瓶颈。
3. 内存不足以充分发挥系统性能，应用程序之间相互等待，此时CPU利用率低，程序运行速度慢，事务间的共享与互斥也会制约程序的性能。

　　三个问题分别受制于硬件CPU，磁盘I/O，内存的性能。

　　Perf工具介绍

　　perf是一款很牛逼的综合性分析工具，大到系统全局性性能，再小到进程线程级别，甚至到函数及汇编级别

　　perf常见命令：1.perf list 2、 perf stat 3、 perf top 4、 perf record/report

　　

#include <stdio.h>

void test_little(void)
{
  int i,j;

  for(i = 0; i < 30000000; i++) 
    j=i; 
}

void test_mdedium(void)
{
  int i,j;

  for(i = 0; i < 60000000; i++) 
    j=i; 
}

void test_high(void)
{
  int i,j;

  for(i = 0; i < 90000000; i++) 
    j=i; 
}

void test_hi(void)
{
  int i,j;

  for(i = 0; i < 120000000; i++) 
    j=i; 
}

int main(void)
{
  int i, pid, result;

  for(i = 0; i<2; i++) {
    result = fork();
    if(result>0)
      printf("i=%d parent parent=%d current=%d child=%d\n", i, getppid(), getpid(), result);
    else
      printf("i=%d child parent=%d current=%d\n", i, getppid(), getpid());

    if(i==0)
    {
      test_little();
      sleep(1);
    } else {
      test_mdedium();
      sleep(1);
    }
  }

  pid = wait(NULL);
  test_high();
  printf("pid=%d wait=%d\n", getpid(), pid);
  sleep(1);
  pid = wait(NULL);
  test_hi();
  printf("pid=%d wait=%d\n", getpid(), pid);
  return 0;
}

 

　　使用perf对程序运行过程的情况进行查看：

　　sudo perf record -a -g ./fork-g：会在当前目录生成perf.data文件

　   sudo perf report --call-graph none结果如下,后面结合perf timechart分析

　   sudo perf report --call-graph none -c fork 仅查看fork产生的信息

　　执行sudo perf report -i perf.data，可以看出main函数所占百分比，以及funcA和funcB分别所占百分比

　　

 

 

课程总结

　　通过学习Linux课程，让我对Linux操作系统有了更深的了解，较之前仅会几个Linux命令有了非常大的提高。感谢孟老师和李老师的辛苦付出, 让我们学习到了很多。