Linux系统分析 课程学习总结报告
Linux系统分析 课程学习总结报告
请您根据本课程所学内容总结梳理出一个精简的Linux系统概念模型，最大程度统摄整顿本课程及相关的知识信息，模型应该是逻辑上可以运转的、自洽的，并举例某一两个具体例子（比如读写文件、分配内存、使用I/O驱动某个硬件等）纳入模型中验证模型。谈谈您对课程的心得体会，改进建议等。出要求是发表一篇博客文章，长度不限，只谈自己的思考，严禁引用任何资料造成文章虚长。
概念模型
操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序。
Linux内核主要包含了五大模块：进程调度模块、进程间通信模块、内存管理模块、文件系统模块、网络接口模块。
我们课程主要学习了其中的进程调度、文件系统、内存管理。
进程调度模块主要是对进程使用的处理机进行管理和控制。Linux以进程作为系统资源分配的基本单位，并采用动态优先级的进程高级算法，保证各个进程使用处理机的合理性。使用的调度策略有：先进先出的实时进程、时间片轮转的实时进程、普通的分时进程。
Linux 的文件系统模块采用了虚拟文件系统(VFS)，屏蔽了各种文件系统的差别，为处理各种不同的文件系统提供了统一的接口，支持多种不同的物理文件系统。同时，Linux把各种硬件设备看作一种特殊的文件来处理，用管理文件的方法管理设备，非常方便、有效。
Linux的内存管理模块采用了虚拟存储机制，实现对多进程的存储管理，使得每个进程都有各自互不干涉的进程地址空间。
具体一点描述如下。Linux自启动以来，由0号进程创建其他所有进程，这些进程或是由用户输入形成，或是系统运行所必需，所有进程井然有序地共享一个cpu，不停完成用户所需要的计算。
进程调度
进程是Linux系统下资源管理的基本单位。每一个进程都有自己的独立的执行空间。 进程资源由两部分组成：内核空间进程资源以及用户空间进程资源。
内核空间进程资源：指的就是PCB相关信息。包含进程控制块本身、打开的文件表项、当前文件夹、当前终端信息、线程基本信息、可访问内存地址、PID、PPID、UID、EUID等，也就是说内核通过PCB能够访问到进程全部的资源。这些资源仅仅能通过系统调用才能访问到。
用户空间进程资源：通过成员mm_struct映射的内存空间。实质就是进程的代码段、数据段、堆、栈、以及能够共享访问的库的内存空间。这些资源进程能够直接访问。
用户级进程拥有下面几种状态：就绪/执行状态（TASK_RUNNING）、等待状态（能够被中断打断TASK_INTERRUPTIBLE）、等待状态（不能够被中断打断TASK_UNINTERRUPTIBLE）、僵死状态（TASK_ZOMBIE）。几种状态之间的转换如下图：
TASK_RUNNING：正在运行或处于就绪状态：就绪状态是指进程申请到了CPU以外的其它全部资源。
TASK_INTERRUPTIBLE：处于等待队伍中，等待资源有效时唤醒（比方等待键盘输入、socket连接、信号等等），但能够被中断唤醒。
TASK_UNINTERRUPTIBLE：处于等待队伍中，等待资源有效时唤醒（比方等待键盘输入、socket连接、信号等等），但不能够被中断唤醒。
TASK_ZOMBIE:僵死状态。进程资源用户空间被释放，但内核中的进程PCB并没有释放。等待父进程回收。
进程调度时机如下：
- 进程状态发生变化时
- 当前进程时间片用完
- 进程从系统调用返回到用户态时
- 中断处理后，进程返回到用户态时
文件系统
文件系统的结构包括在磁盘上的结构和在内存中的结构。磁盘上包括引导控制块、盘控制块、目录结构、FCB。在内存中包括：
- 系统打开文件表：包含每个已打开文件的FCB的副本，以及其他信息。
- 进程打开文件表：包含一个指向系统打开文件表相应项的指针，以及其他信息。
file结构一方面可从f_dentry链接到目录项模块以及inode模块，获取所有和文件相关的信息，另一方面链接file_operations子模块，其中包含所有可以使用的系统调用函数，从而最终完成对文件的操作。
内存管理
Linux把进程地址空间分成内核区和用户区两部分。内核的内存部分是程序的无法访问的，但内核本身可以读取程序的内存。这是将数据传递给内核函数的方法之一。
代码段：构成程序的可执行文件和库。主可执行文件及其所有库都被加载到进程的地址空间中，因此它们的所有的函数都具有内存地址。
数据段：程序用来存储它正在处理的数据的内存，通常称为堆。例如，这可以用于存储当前正在编辑的文档、正在查看的网页或者正在播放的游戏。
栈段：进程中的每个线程可以共享代码段和数据段，但是都有自己的堆栈段。栈段是一块内存，用于跟踪线程当前正在运行的函数，以及所有父函数 - 被调用以获取当前函数的函数。
当在内核态申请内存时直接给分配，而进程在用户态申请内存时，只是给了一个新的线性地址空间的一个使用权，真的要用的时候会产生缺页异常，然后再真的分配。请求调页是一种动态内存分配技术，它把页框的分配推迟到不能再推迟为止。与之相关的分配页框的方式为写时复制：父子进程是共享页框的，当读的时候，不分配新的页框。当写的时候，谁写就给谁分配，两者各自过运行一段时间都就都有了自己的空间。
读文件实例
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read执行去C库里面，找到Int80 03指令封装。80为中断向量号，03为系统调用号;
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从idtr寄存器中读取中断向量表的基地址，找到IDT;
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trap-init调用set_system_gate等函数对中断向量表中的每一项进行初始化，并将指令所在地址的cs、eip、DPL以及门类型和中断向量号进行绑定;
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根据中断向量号128找到第128项，其中包括cs和eip，再根据gdtr、cd、eip找到所要执行指令的地址，再进行系统调用;
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进入系统调用,保存现场，对指令进行分析得到系统调用号05根据系统调用号，找到系统调用表中的sys_read的入口，即sys_read的函数指针;
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sys_read()函数通过文件表项链接到目录项模块，根据传入的文件路径，在目录项模块中检索，找到该文件的inode；
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在inode中，通过文件内容偏移量计算出要读取的页；
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通过inode找到文件对应的address_space；
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在address_space中访问该文件的页缓存树，查找对应的页缓存结点：
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如果页缓存命中，那么直接返回文件内容；
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如果页缓存缺失，那么产生一个页缺失异常，创建一个页缓存页，同时通过inode找到文件该页的磁盘地址，读取相应的页填充该缓存页；重新进行第6步查找页缓存；
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文件内容读取成功。
心得体会与建议
总的来说，这一门课的学习，让本来对Linux系统不怎么熟悉的人，不仅掌握了Linux的一些基本操作，也对Linux内在的原理有了比较深入的理解。
再说说两位老师的上课情况。两位老师的课程内容侧重点有很大的不同，孟老师注重实验，李老师注重原理。所以每次上完课，基本都会觉得孟老师讲的内容更容易理解，觉得李老师将的内容稍微晦涩一些。但在最近的复习阶段，把李老师讲的内容都融汇到一起看，条理还是很清晰的。
所以这里就有一点建议，就是这门课只有在孟老师讲课的部分布置了一些作业，而李老师讲课的时候大家都只是听，而没有作业或者实验来巩固，这也在一定程度上，慢慢增加了我们听课的难度。（有作业逼学生复习，可能听课效果也会有提升）
