linux 系统工作原理

Linux系统基础原理：
call：调用，系统调用，库调用，有的库调用就是系统调用的二次封装。
cpu环0 只能cpu执行的特权执行，用到特权指令的进程，必须通过调用或者内核来实现
cpu环3 所有的进程都可以执行的指令

内核功能：
    进程管理，文件系统，网络功能，驱动程序，内存管理，安全功能

模式切换：
    用户空间 <------>  内核空间

单cpu，划分为时间片，根据优先级去切换进程

进程：process，运行中的程序
    有自己的生命周期

内核为每个运行的进程创建一个task struct：
    存储进程的结构体，追踪每一个进程（例如进程ID等信息）
    多个任务，会维护一个 链表，task list

    task struct：

进程的创建：
    内核创建init进程：总进程
        进程都由父进程创建：
            fork()进程创建而来
            clone()：子进程跟父进程共享内存空间
            CoW:写时复制，子进程如果写操作，会重新获取新的内存地址

            子进程只是用来完成某些功能，完成后，就可以销毁了。

        linux而言，进程优先级：
            0-139：
                1-99：实时优先级 -- 越大，优先级越高
                100-139：静态优先级    
                    数字越小，优先级越高

            优先级分了Nice值：
                -20 ，19 ===>对应100,139

            140个带有优先级的进程队列    ，扫描每个队列的首部。也就是每个优先级队列的第一个任务

            同时还有一个过期队列，运行完的和运行的相互调换，不断运行，最终同一优先级的进程运行结束。

            Big O 标准:
                O(1):很理想

进程内存：
    进程是不可能直接访问硬件的，包括内存。内核完成资源分配。

    task struct 保存了线性地址和物理地址的一一映射，这个映射关系通过CPU 的MMU 来完成。

    访问的数据不在 ，需要重新从磁盘加载，这就是缺页异常

    虚拟内存集：可以被交换出去，交换回来（某一刻用完了上面的数据，就可以交换出去，让别人用
    常驻内存集：不可以被交换出去，交换回来

    IPC：进程间同信
        同一主机：
            发信号：signal：常用方式
            共享内存，shared memory
            口令：
        夸主机：
            RPC：远程过程调用
            socket：基于套接字同信

Linux内核：抢占式多任务，多个任务，抢时间点

进程类型:
    守护进程(批处理进程)：daemon，在系统引导过程中启动的进程，与终端无关
    用户进程（前台进程）：通过终端启动的进程
        注：有些进程，前台进程，送到后台，以守护进程运行

进程状态：
    运行态：
    就绪态：
    睡眠态：
        可中断睡眠：可随时叫醒
        不可中断睡眠：如IO 过程，此时进程睡眠中，不可中断，等都读取到，才能叫醒。
                （磁盘数据，加载到内核内存，在复制到内存中）
    停止态：暂停在内存中，除非手动唤醒，启动
    僵死态：父进程挂了。

进程的分类:
    CPU-Bound:CPU密集型
    IO-Bound：IO密集型

Linux操作系统原理高阶：
模式切换：
如果调用内核计算，X86cpu 分为环0,1,2,3， 环0是特权指令，环3是用户空间指令，所以调用内核，就要模式切换为内核模式，使用特权指令。

内核空间不是提高生产力的主要因素：
    内核空间指令占用的时间多，但是用户空间很少，表明此程序效率低，而一般生产力，是靠用户空间来产生。

计算机发展时代：
    第一代：真空管
    第二代：晶体管，批处理系统
    第三代：集成电路，多道程序设计，cpu开始分时，时间片
    第四代：大规模集成电路（LSI) 

MMU：内存管理单元，为了使内存分页（并不是所有的cpu都有，这里说X86）

    CPU的主要功能，主要从内存中取到指令，解码指令，cpu可以执行的指令。

    cpu有三个工作单元：很可能三者不止一个，并行执行
        取指单元
        解码单元
        执行单元 
    cpu还有一个指令寄存器：
        有个指针，指向内存中下一个指令的内存地址，以及执行状态等

    cpu运行过程中，如果挂起去执行别的程序，称为上下文切换。但是cpu内的寄存器，需要把之前运行的各种状态保存下来，如运行了一半，以及指令，即保存现场。如果程序重新装载回来，要把之前保存的，拿出来。
                -------这些东西是保存在内存中。

task strcut：-------这些东西是保存在内存中。

--进程的cpu亲缘性，提高缓存命中率

cpu多核，超线程（多线程）

早期的cpu需要提高频率，现在是提高核心数，并行执行
    某一时刻，一个进程只能一个核心

多线程，并行执行。提高使用率。

linux轻量级线程，对于linux内核来说，调度时，都是进程级别的。

每一颗cpu核心都有自己的进程队列：
    两个队列：
        等待执行的队列
        过期的队列

    内核会重新均衡，为了让空闲的提高利用率，但是这样会出现缓存降低命中率

SMP：对称的多处理器机制（如 4颗cpu）

程序局部性原理：
    空间局部性：
        邻近的数据也会被访问到
    时间局部性：
        访问过的数据，还会再次被访问到

NUMA：非一致性内存访问
    每一颗cpu都有自己专用的外部内存空间，把内存切分 ，这样避免了内存争抢，但是如果一个进程在cpu a上，再调度回来，可能不在a上，这样就需要将之前的cpu 的寄存器内容复制一份，但是这样效率又降低了，所以使用绑定cpu，亲缘性。

cpu只能操作寄存器。
    通写，回写机制
        通写：从一级缓存，cpu一直控制，直到写到内存，但是可靠性高
        回写：写到一级缓存，就可以了，cpu干别的事，可靠性低，但是效率高

缓存的 n路关联 (n-way associate)

I/O设备：
设备控制器和设备本身

控制器：集成在主板上的一块芯片或一组芯片

驱动程序，通常应该有设备生产商：位与内核中

每个控制器都有少量的用于通信的寄存器，集成在控制器内部的。每个寄存器表现为一个IO端口

多有的寄存器组合成为设备的IO 端口空间（地址空间）

输入输出实现三种方式：
    1、盲等待方式（轮询），不断的遍历IO 设备 是否有数据的，并不理想
    2、中断的方式，通知CPU中断当前正在进行的进程
        有一个可编程中断控制器，可以直接跟CPU通信。
        每一个IO设备要有一个中断号，对中断控制器发出请求，中断控制器在通知CPU，CPU在通过中断号，找到相应的IO设备，CPU激活内核，进而CPU 将进程切换出去，内核自己运行在CPU上，内核获取中断请求。

        启动服务都要到内核注册套接字

        内核处理中断分为两步：
            中断上半部：把网卡缓存数据转到内核缓存，必须要处理，否则信号就消失了。
            中断下半部：真正处理这个请求

    3、DMA设备：直接内存访问，类似CPU的控制器，拥有该设备的IO设备，可以直接将自己缓存中的数据接进到内核缓存中。

OS级别：
    CPU：被抽象成时间片
    内存：虚拟地址空间，比如32bit的os，寻址空间是4G，但是内存不可能正好就给你一个进程使用
                    所以，比如某时刻只有2G内存寻址空间，但是你要3G的寻址空间，此时就需要虚拟地址空间。
    I/O：文件（内核中，层层抽象成文件）
    进程：资源抽象
        资源集合：
            cpu时间
            内存地址空间：抽象为虚拟地址空间，每个进程认为自己是4G的 32bit
                        进程都默认知道，内核使用1G，进程最多使用3G
                        需要3G，并不是一次性分配各3G
            IO：打开的多个文件，fd（文件描述符 区分）0,1,2（输入，输出，错误输出）
                正常的文件
                设备文件
                管道文件

    进程：task struct
        内核为每一个进程维护的一个，将物理内存映射成线性内存

    物理内存 且分为固定大小的page frame（页框），每个4K

    MMU：
        线性地址转换为内存物理地址，cpu在拿物理地址访问

    MMU之前还有一个缓存（TLB：转换后援缓存器），如果缓存没有，再找MMU，MMU是页表，缓存是结果，所以不大