Linux课程报告

一、精简的Linux模型

Linux，全称GNU/Linux，是一种免费使用和自由传播的类UNIX操作系统，其内核由林纳斯·本纳第克特·托瓦兹于1991年10月5日首次发布，它主要受到Minix和Unix思想的启发，是一个基于POSIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。

Linux系统一般有4个主要部分：内核、shell、文件系统和应用程序。内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。

Linux的主要模型结构如下：

二、进程管理

程序： 程序是指令、数据、及其组织方式的集合

进程：是程序执行的基本实体，是资源分配的基本单位（线程是调度的基本单位）

第一，每一个进程都有它自己的地址空间

第二，进程是执行中的程序

1. 进程的创建

进程在执行过程中可能通过 fork() 创建多个新的进程。创建进程称为父进程，而新的进程称为子进程。每个新进程可以再创建其他进程，从而形成进程树。

Linux中第一个进程是 pid==1 的一号进程 init ，它是其它所以进程的父进程。

资源的分配

当一个进程创建子进程时，子进程可以从操作系统/父进程那里获得资源子集。

新进程的可能执行方式

1. 父进程与子进程并发执行。
2. 父进程等待 wait() ，直到某个或全部子进程执行完。

新进程可能的地址空间

子进程是父进程的复制品（它具有与父进程同样的程序和数据）。

子进程加载另一个新程序。

2. 进程的终止

进程终止的原因

1 子进程使用了超过它所分配的资源（为判定是否发生这种情况，父进程应有一个机制，以检查子进程的状态）。

2 分配给子进程的任务，不再需要。

3 父进程正在退出，而且操作系统不允许无父进程的子进程继续执行。

僵尸进程

产生：当子进程终止，OS释放其资源。但是由于父进程未调用 wait() ，所以它位于进程表中的条目还是存在的。这样的进程被称为僵尸进程。

所有进程终止时都会过渡到这种状态，但是一般而言僵尸只是短暂存在。一旦父进程调用了 wait()，僵尸进程的进程标识符和它在进程表中的条目就会释放。

孤儿进程

如果父进程没有调用 wait() 就终止，以致于子进程成为孤儿进程，那么这会发生什么？Linux 和 UNIX 对这种情况的处理是：将 init 进程作为孤儿进程的父进程。进程 init 定期调用 wait()，以便收集任何孤儿进程的退出状态，并释放孤儿进程标识符和进程表条目。

3. 进程的状态

运行态：资源够，占用处理器

就绪态：资源够，就差处理器

等待态：资源不够

阻塞：指使一个进程让出处理器，去等待一个事件，如等待资源、等待I/O完成、等待一个事件发等——阻塞后进程被挂起

挂起：挂起就绪、挂起阻塞

挂起进程在操作系统中可以定义为暂时被淘汰出内存的进程，机器的资源是有限的，在资源不足的情况下，操作系统对在内存中的程序进行合理的安排，其中有的进程被暂时调离出内存，当条件允许的时候，会被操作系统再次调回内存，重新进入等待被执行的状态即就绪态，系统在超过一定的时间没有任何动作

什么是线程？

线程是调度的基本单位。

特点：

轻。线程实体只拥有必要的、能保证独立运行的资源（程序、数据、TCB）。因为轻，所以创建、调度快。

独立调度的基本单位。

可并发执行。

共享进程资源。包括：内存地址空间、进程已打开的文件、信号量等等。

线程之间怎样进行交互？

线程的通信就比较简单，有一大块共享的内存，只要大家的指针是同一个就可以看到各自的内存。

进程间的通信

每个进程各自有不同的用户地址空间，任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）

1. 管道通信

管道的本质是内核缓冲区

2. 信号

来源：

硬件：ctrl+c、硬件异常

软件：kill、软件异常

3. 消息队列

4. 共享内存

5. 信号量

信号量与互斥量之间的区别：
互斥量用于线程的互斥，信号量用于线程的同步。这是互斥量和信号量的根本区别，也就是互斥和同步之间的区别。
互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。
同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。

6. 套接字

进程的调度

1. FCFS 先来先服务

2. 短作业优先

3. 高优先权优先

抢占式

非抢占式

4. 高响应比优先

Rp = (等待时间 + 要求服务时间) / 要求服务时间

三、中断与用户态和内核态

什么是用户态和内核态

用户态进程运行在用户态空间

内核态进程运行在内核态空间

32位的OS的寻址空间有2^32 = 4GB，虚拟空间共4GB，其中最高1GB为内核空间，由内核使用，低3GB由应用程序使用，为用户态空间

为什么需要用户态和内核态

CPU 将指令分为特权指令和非特权指令，

对于那些危险的指令，只允许操作系统及其相关模块使用，

普通应用程序只能使用那些不会造成灾难的指令

Intel将指令特权等级分为了Ring0~Ring3，Linux只使用了Ring3（用户态）和Ring0（内核态）

如何从用户态进入内核态

系统调用

过程：
0. 进程传递系统调用号给eax寄存器
1. 进入系统调用：
	在内核态栈保存大多数寄存器内容
2. 执行系统调用
	调用系统调用服务例程的相应C函数来处理系统调用
3. 退出系统调用处理程序
	将内核态栈保存的值加载到寄存器

软中断

硬中断：主要是用来通知操作系统系统外设状态的变化

硬中断是由外设引发的，而软中断是执行中断指令产生的

硬中断的中断号是由中断控制器提供的，软中断的中断号由指令直接指出，无需使用中断控制器

硬中断是可屏蔽的，软中断不可屏蔽

硬中断处理程序要确保它能快速地完成任务，这样程序执行时才不会等待较长时间，称为上半部
软中断处理硬中断未完成的工作，是一种推后执行的机制，属于下半部

中断的过程

硬件：
1. 中断源发出中断请求;
2. 判断当前处理机是否允许中断和该中断源是否被屏蔽;
3. 优先权排队;
4. 处理机执行完当前指令或当前指令无法执行完，则立即停止当前程序，保护断点地址和处理机当前状态，转入相应的中断服务程序;
软件：
5. 执行中断服务程序;
6. 恢复被保护的状态，执行“中断返回”指令回到被中断的程序或转入其他程序。

四、影响Linux性能的因素

硬件上

cpu

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，因此，可以利用处理器的超线程特性提高系统性能。

内存

内存的大小也是影响Linux性能的一个重要的因素，内存太小，系统进程将被阻塞，应用也将变得缓慢，甚至失去响应；内存太大，导致资源浪费。Linux系统采用了物理内存和虚拟内存两种方式，虚拟内存虽然可以缓解物理内存的不足，但是占用过多的虚拟内存，应用程序的性能将明显下降，要保证应用程序的高性能运行，物理内存一定要足够大;但是过大的物理内存，会造成内存资源浪费，例如，在一个32位处理器的Linux操作系统上，超过8GB的物理内存都将被浪费。因此，要使用更大的内存，建议安装64位的操作系统，同时开启Linux的大内存内核支持。

磁盘I/O

磁盘的I/O性能直接影响应用程序的性能，在一个有频繁读写的应用中，如果磁盘I/O性能得不到满足，就会导致应用停滞。好在现今的磁盘都采用了很多方法来提高I/O性能，比如常见的磁盘RAID技术。

操作系统相关资源

文件系统优化

文件系统的优化是系统资源优化的一个重点，在Linux下可选的文件系统有ext2、ext3、ReiserFS、ext4、xfs，根据不同的应用，选择不同的文件系统。