linux操作系统分析-课程学习报告总结

前言

　　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。

 

一、计算机系统的基本工作原理

1.计算机的三个关键性方法机制

　　1.1当代所有计算机平台的基础--冯诺伊曼机

　　　　先了解一下什么是存储程序计算机？

　　　　　　主要思想是讲程序存放在计算机存储器中，然后按照存储器中的存储程序的首地址执行程序的第一条指令，按照该程序中编写好的指令执行，直至程序结　束。

　　　　冯诺伊曼机的三大特点：

　　　　　　包含运算器、存储器、控制器、I/O

　　　　　　内部采用二进制来表示指令和数据。

　　　　　　将编写好的程序和数据先放入计算机中，然后启动。

　　　　核心是存储程序计算机。

　　1.2堆栈

　　　　作用：记录调用框架，传递参数，保存返回值，暂时存储局部变量　　　　

　　　　相关寄存器：ESP+EBP（堆栈相关寄存器），CS：EIP（函数调用相关），EAX（返回值地址），还有传递参数相关

　　　　运行机制：通过pop，push两种操作，结合以上各种寄存器，实现函数调用，返回地址的记录，并且在函数调用完之后可以返回到原文中继续执行。

　　1.3中断--系统调用（这里只写相关部分的中断内容）

　　　　系统调用的总过程：

　　　　　　触发系统调用时，用户态使用int$0x80指令触发中断，跳转到汇编代码system_call,触发中断机制，当前进程用户态的堆栈SS:ESP,CS:EIP EFLAGS保存在内核中,接下来执行到system_call的位置，将这段汇编用于保存现场，执行系统调用内核函数，函数调用完之后返回，恢复现场。最后iret将关键现场恢复到对应的寄存器中去，并回到int$0x80之后的下一条指令继续执行。

　　　　初始化过程：　　

　　　　　　系统加载 start_kernel 开始，调用了 trap.c 中的 trap_init()函数对中断进行初始化。并且调用同一文件下的set_trap_gate()/set_system_gate()/set_intr_gate()等对中断描述符进行初始化。在进入保护模式之前， IDT 再次通过 setup_idt()函数进行初始化，在这里使用了 ignore_int()函数，是为了保护未初始化完成时发生异常不出错。然后调用 init_IRQ()函数，把中断描述附表的中断处理代码段地址设在在 interrupt 数组中，该数组指向同一个函数处理 common_interrup。　　　　

　　　　为什么需要分级？

　　　　　　系统体系架构分为用户态和内核态，用户态的权限低于核心态，也就是说代码掌控的范围收到了限制，如果没有权限级别的划分，程序员所有代码都可以使用特权指令，系统很容易出现崩溃的情况。

　　　　

二、操作系统实现的功能之一-进程管理

　　1.进程的的概念：

　　　　运行一个程序的时候，操作系统需要描述其的运行过程，通过结构体task_struct{}来描述，统称为PCB。

　　2.进程的描述信息有：

　　　　PID，进程状态，优先级，sp，上下文，内存指针。

　　3.创建进程--fork（）

　　　　fork函数不同于其他函数，因为其返回次数的特殊性：fork会有两个返回值，一个为父亲进程的返回值，一个为子进程的

　　　　子进程返回0，父进程返回子进程的进程ID。

　　4.fork运行机制：

　　　　触发系统调用时，用户态使用int$0x80指令触发中断，跳转到汇编代码system_call,触发中断机制后把当前进程用户态的堆栈SS:ESP,CS:EIP EFLAGS,接下来执行到system_call的位置，将这段汇编用于保存现场，执行系统调用内核函数，函数调用完之后返回，恢复现场。最后iret将关键现场恢复到对应的寄存器中去，并回到int$0x80之后的下一条指令继续执行。

　　　　fork系统调用创建了一个子进程，子进程复制了父进程中所有的进程信息（内核堆栈，进程描述符），但有些信息是不一样的，比如pid和内核堆栈，还有将新的进程连接到各种链表中，要保存进程执行到哪个位置，父子进程共享存储空间。

　　5.相关函数：

　　　　fork，vfork，和clone3个系统调用和kernel_thread内核函数都是通过do_fork()来创建进程的。

　　　　

　　6.进程状态：

　　　　阻塞态，运行态，就绪态。

　　7.进程调度策略：

　　　　7.1 实时调度策略：SCHED_FIFO和SCHED_RR，实时系统的优先级是静态设定的，在就绪队列没有实时进程的情况下，普通进程才能获得调度，二者分别为先　　进先出和时间片轮转。

　　　　7.2 根据负载变化发生变化：SCHED_NORMAL，每个进程分配到的cpu时间占比有比例跟系统当前的负载有关。

　　8.调度算法：

　　　　CFS：基于权重的动态优先级调度算法，已使用的虚拟时间越少，进程排序就越靠前。

　　9.进程上下文切换

　　　　包括两个部分：切换页全局目录CR3和切换内核态堆栈和硬件上下文。

　　　　

 

 

最后给出一个linux系统概念模型：

   　　　　　　　　　　　　　　　　

 

 举例验证：

 

　　　　读写文件，在读写文件之前，必须使用oepn打开一个文件，打开文件首先open会执行到C库，C库里有INT $0x80指令，然后在中断向量表中找到128项，中断向量表里有中断描述符，可以找到中断处理程序入口，128项是系统调用处理函数，进入系统调用处理函数，保存现场，系统调用号存储eax中，根据系统调用号执行系统调用表中对应那一项的函数。系统调用表是相应的函数指针，这里会执行sys_open。sys_open进行命令查找，找到文件控制块，根据不同文件类型，调用文件打开函数，文件打开函数会创建一个系统文件打开表file，file的很多内容来自文件控制块，填完之后，进程也有一个进程文件打开表，这个结构里面有fd数组，fd数组是指针，找个空闲的，把它指向之前已经创建的file结构，最后返回那一项的索引号，即fd。

　　　　当进程使用read系统调用读这个文件，就会根据fd数组的下标 找到fd数组的对应项，然后找到指向之前创建的file结构的指针，再找到这个file结构，最后找到file结构里的file_operations里的具体的read函数来读取文件。

　　　　当进程使用write系统调用写数据到这个文件时也会根据fd数组的下标 找到fd数组的对应项，然后找到之前创建的file结构的指针，再找到这个file结构，进而找到file结构里的file_operations里的具体的write函数来写文件。

 　　　

建议：

　　课后作业全部是实验内容，以后能不能布置一些书面作业，这样对整体理解也有好处。