Linux系统课程期末分析报告

Linux系统分析报告

一.linux操作系统精简内核模型分析

Linux是一个类Unix的操作系统，操作系统是一个控制程序，是计算机系统的控制和管理中心，从资源角度观察，它具有处理器，存储器管理，设备管理和文件管理等四项功能。借用本节课我们可以总结出计算机有“三大法宝”，操作系统有“两把宝剑”。所谓的“三大法宝”也就是指存储程序计算机、函数调用堆栈和中断；“两把宝剑”也就是中断上下文和进程上下文。

具体的内核模型我们可以分析如下图所示：

由上图可以看出，linux中的内核控制着计算机系统的硬件和软件，屏蔽了底层硬件的差异，向上提供对应的服务。其中进程管理，文件系统管理，内存管理和网络协议栈构成了内核的主要功能。

二.进程相关

1.进程概念

进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上的运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。linux是一个多任务多用户的操作系统，每个进程都具有一定的功能和权限，他们都运行在各自的独立空间之中。Linux为每个进程分配一个8KB大小的内存区域，用于存 放该进程两个不同的数据结构：

我们知道其中的一个地址便可以获取另外两个地址。

进程的状态我们可以使用牛头模型来进行描述，如下所示：

2.进程的调度

进程的调度算法主要有fifo，短进程优先以及优先级调度算法。在linux系统主要采用了优先级调度算法，其主要的步骤如下：

• 首先我们需要依据调度算法计算出进程的优先级

• 根据进程的优先级，我们选择优先级较大的进程放入cpu的可运行队列中，每个cpu都有自己的可运行队列

  • 可运行队列里存储着过期的进程队列和活动进程队列

  • 可运行队列是由进程链表组成的有优先级的一种数据结构

• 进程按照优先级进行调度（这里涉及到了优先级位图）

进程调度的时机可能发生在具体的时间片用完，以及系统调用从内核态返回用户态空间之前，发生中断从内核空间返回用户空间之前。

三.文件系统相关

在linux里面的文件系统主要采用了VFS这种模式，也就是所谓的虚拟文件系统，主要作用的屏蔽不同的具体的文件系统的差异，主要分为三个层次：文件系统接口调用层（比如open、read等系统调用）；VFS接口层，这层又包含了与用户的接口和与具体文件系统的接口；具体的文件系统层，包括网络文件系统。VFS包括了超级块，inode，file对象和dentry结构。

注意在linux系统里万物皆可文件，比如设备，socket端口也都看成一种文件。每个文件都有对应的唯一的inode，inode里面保存了它所指向的文件的相关信息。

四.中断相关

中断是“三大法宝”和“两大宝剑”之一，分为外部中断（硬件中断）和内部中断（软件中断）。软件中断又分为故障、陷阱和终止。其中系统调用是一种特殊的软件中断方式。

中断的执行步骤如下所示：

• 首先在每条指令结束之前会检查是否有中断产生。比如当外部设备需要提出io中断，那么就会传入IRQ线，然后cpu检查INTR来判断是否有中断

• 确定与中断或者异常相关的向量i

• 读idtr寄存器指向的idt表的第i项

• 从gdtr寄存器获取gdt基址，并在gdt中查找以读取idt表项中段选择符所标识的段描述符

• 确定中断是由授权的中断源产生的

• 检查是否发生了特权级变化，也就是是否由用户态进入了内核态，这样就需要切换堆栈

  • 读tr寄存器，获取其中的tss断

  • 用于新特权级相关的堆栈装在ss和esp寄存器，这些值可以在进程的tss段中找到

  • 在新的栈中保存之前的ss和esp的值

• 若发生的是故障，用引起异常的指令的地址修改cs和eip寄存器的值，以便这条指令在结束后可以接着被执行

• 在栈中保存eflags，cs和eip的值

• 如果硬件产生了硬件出错吗，将其保存到栈中

• 装载cs和eip值，其值可以在idt中找到

• 然后进行中断返回，也就是弹出对应的cs，eip和eflags寄存器

五.模型举例验证

这里我们使用一个open系统调用的过程来进行验证。当我们当用了c语言库函数open之后，然后此时开始系统调用的过程：执行指令INT 0x80，让系统跳转到一个预设的内核空间地址，它指向系统调用处理程序也就是system_call函数，该函数会根据系统调用号来找到对应的系统调用服务例程，此时会执行sys_open函数，里面调用do_sys_open函数，该函数首先找到一个未分配的文件描述符也就是fd；分配一个全新的struct file结构体并根据传入的name找到对应的dentry，将对应的file加入对应的系统文件打开表，并将对应的fd加入对应的进程文件打开表，最后返回对应的fd，根据这个fd可以找到对应的文件。

六.Linux系统中程序运行性能影响因素分析

我们在对一个程序性能进行分析时，首先要分析程序本身，这里我们可以将程序分为io密集型和cpu密集型，io密集型涉及到大量的磁盘读写操作，磁盘读写会很耗时，这就是一个值得优化的地方；对于cpu密集型程序，多是涉及到一些计算，这时可能会涉及一些程序的并发执行来提高程序的性能。

1.四大影响因素

经过分析之后我们可以发现因素也就是cpu、存储、磁盘io能力和网络有关。

cpu的速度和性能很大程度上影响了整个系统的运行能力，因此某种程度上cpu数量越多、主频越高，服务器性能也就越好；

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，会导致资源浪费，Linux 系统采用了物理内存和虚拟内存的概念，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，但不应过大，否则会造成内存资源的浪费；

磁盘的io能力会直接影响程序运行能力，因为在进行磁盘io时很多程序将会暂时停滞；

网络影响程序是显而易见的，不稳定，低速的网络将会导致程序的阻塞。

2.因素影响分析工具

top命令是很强大的机器分析命令，类似于windows的任务管理器，但整个命令可以观察更多的程序性能指标。这里我们一分析一个数据库程序运行进行分析

• 首先我们使用top命令列出具体的进程的cpu占用率，发现是不是mysqld进程占用了cpu的大部分性能，

• 然后我们执行命令show processlist里面查看sql语句，分析session情况，里面是不是sql语句执行存在问题，是否是index缺失，或者是不是数据量占用太大造成的

• 查看慢查询和explain分析对应的语句和是否走索引等等

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