linux课程总结

1. Linux系统如何启动

Linux系统开机首先运行BootLoader，然后由BootLoader引导启动内核，由内核检查和初始化硬件设备，载入设备的驱动程序模块，安装root文件系统，然后内核将启动一个名为init的进程。在Init运行完成并启动其它必要的后续进程后，系统开始运行，引导过程结束。init进程启动时需要读取inittab配置文件，该文件确定init在系统启动和关机时的工作特性。

2. Linux的中断处理流程

中断的概念：中断是指CPU正常运行期间，由于内外部事件或由程序预先安排的事件引起的CPU暂时停止正在运行的程序，转而为该内部或外部事件或预先安排的事件服务的程序中去，服务完毕后再返回去继续运行被暂时中断的程序。分为外部中断（硬件中断）和内部中断（异常）。

中断处理过程由三部分组成

1. 准备部分，其基本功能是保护现场，对于非向量中断方式则需要确定中断源，最后开放中断，允许更高级的中断请求打断低级的中断服务程序
2. 处理部分，即真正执行具体的为某个中断源服务的中断服务程序
3. 结束部分，首先是关中断，以防止在恢复现场过程中被新的中断请求打断，接着恢复现场，然后开放中断，以便返回原来的程序后可响应其它的中断请求，中断服务程序的最后一条指令一定是中断返回指令

中断上下文切换

1. CPU关键上下文切换，比如中断信号、中断指令、iret中断返回指令
2. 保存现场和恢复现场，中断处理程序的头部和尾部

3. 系统调用

用户态和内核态

Linux操作系统的体系架构分为用户态和内核态。计算机的硬件资源是有限的，为了减少有限资源的访问和使用冲突，CPU和操作系统必须提供一些机制对用户程序进行权限划分。现代的CPU一般都有几种不同的指令执行级别，就是什么样的程序执行什么样的指令是有权限的。在高的执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任意内存，这时CPU的执行级别对应的就是内核态，所有的指令包括特权指令都可以执行。相应的，在用户态，代码能够掌握的范围会受到限制。

系统调用

系统调用是一种特殊的中断，中断分为外部中断和内部中断，内部中断又称为异常，异常又分为故障和陷阱。系统调用就是利用陷阱这种软件中断方式主动从用户态进入内核态。一般来说，从用户态进行内核态由中断触发，可能是硬件中断，在用户态进度执行时，硬件中断信号到来，进入内核态，就会执行这个中断对应的中断服务例程。也可能是用户态程序执行过程中，调用了一个系统调用，陷入内核态，叫做陷阱

系统调用的功能和特性

1. 把用户从底层的硬件编程中解放出来。操作系统为我们管理硬件，用户态进程不用直接与硬件打交道
2. 极大的提高系统的安全性。如果用户态进程直接与硬件设备打交道，会产生安全隐患，可能引起系统崩溃
3. 使用户程序具有可移植性，用户程序与具体的硬件已经解耦合并用接口代替了，不会有紧密的关系，便于在不同系统间移植

4. 进程调度

进程的分类

1. 批处理进程 ：此类进程不需要人机交互，在后台运行，需要占用大量的系统资源，但是能忍受响应延迟，如编译器
2. 交互式进程 ： 此类进程有大量的人机交互，因此进程不断地处于睡眠状态，等待用户输入，典型的应用比如编译器Vim.此类进程对系统响应时间要求较高，否则用户会感觉系统反应迟缓
3. 实时进程 ： 实时进程对调度延迟的要求最高，这些进程往往执行非常重要的操作，要求立即响应并执行 。比如视频播放软件

进程的状态

1. 运行态
2. 可运行态
3. 等待态
4. 暂停态
5. 僵死态

进程的创建

1. Frok，Vfork和clone系统调用创建新进程
2. exec系统调用执行一个新程序
3. exit系统调用终止进程（进程也可以因收到信号而终止）

进程的撤销

撤销时机

• 主动撤销：执行完代码，通知内核释放进程的资源
• 被动：内核有选择地强迫进程死掉
  • 当进程接收到一个不能处理或忽视的信号时
  • 当内核代表进程在运行时，在内核态产生一个不可恢复的CPU异常

撤销过程分为

• 进程终止：释放进程占有的大部分资源
  • do_exit()
• 进程删除：彻底删除进程的所有数据结构

进程删除

• 父进程调用wait()类系统调用检查子进程是否终止
• 若子进程包含终止代号，则父进程通过release()释放僵死进程的描述符

进程同程序的比较

1. 程序时指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念。而进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态的概念。
2. 程序可以作为一种软件资料长期存在，而进程是有一定生命期的，程序时永久的，进程是暂时的
3. 进程更能真实地描述开发，而程序不能
4. 进程是由PCB、程序段和数据段三部分组成
5. 进程具有创建其它进程的功能，而程序没有
6. 同一程序同时运行于若干个数据集上，它将属于若干个不同的进程。也就是说同一程序可以对应多个进程

进程调度的功能

1. 记录系统中所有进程的执行情况
2. 选择占有处理机的进程
3. 进行进程上下文切换。一个进程的上下文包括进程状态、有关变量和数据机构的值、机器寄存器的值和PCB以及有关程序、数据等

进程调度的时机

1. 进程状态发生变化时
2. 当前进程时间片用完
3. 进程从系统调用返回用户态
4. 中断处理后，进程返回到用户态

为何要进程调度

1. 非剥夺方式
2. 剥夺方式：优先权原则，短进程，优先原则，时间片原则

active:活动进程
expired:过去进程

对交互进程和批处理进程的分别处理

1. 为提高交互进程的性能，用完时间片的活动批处理进程总是变成过期进程
2. 用完时间片的活动交互进程通常仍然是活动进程，调度程序重填时间片把它留在活动进程集合中
3. 如果最老的过期进程等待了很长时间，或者过期进程比交互进程的优先级高，调度程序把用完时间片的活动交互进程移到过期进程集合中

实时进程

1. 实时进程的动态优先级范围1-99
2. 实时进程总是被当做活动进程
3. 调度程序总是让优先级高的进程运行
4. 几个进程优先级相同，调度程序选择第一个出现在本地CPU的运行队列相应链表中的进程运行
5. 实时进程运行的过程中 ，禁止低优先级进程的执行

Linux进程调度策略

1. linux的进程调度是基于优先级的调度。进程的优先级是动态的，避免了进程饥饿
2. linux的进程分普通进程和实时进程，实时进程的优先级高于普通进程。
3. 普通进程采用普通进程的时间片轮转算法
4. 实时进程采用实时进程的先进先出或实时进程的时间片轮转算法

进程上下文切换

进程切换：为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复执行以前挂起的某个进程

进程的CPU上下文：在恢复一个进程执行之前，内核必须确保每个寄存器装入了挂起进程时的值。进程恢复执行前必须装入寄存区的一组数据，称为进程的CPU上下文。

硬件上下文：进程恢复执行前必须装入寄存器的一组数据

从本质上说每个进程切换由两部分组成

1. 切换页全局目录以安装一个新的地址空间
2. 切换内核态堆栈和硬件上下文

5. 文件系统

文件系统是计算机组织、存取和保存信息的重要手段。

按照文件的数据形式分为：

1. 源文件
2. 目标文件
3. 可执行文件

文件控制块

VFS

可以将VFS看成是一种通用文件系统，它位于应用程序和具体文件系统之间，提供了一层通用的接口，在必要时依赖具体的文件系统

VFS支持的文件系统类型

1. 基于磁盘的文件系统
2. 网络文件系统
3. 特殊文件系统

Open操作

所谓打开文件实质上是在进程与文件之间建立连接，而打开文件描述符唯一标识着这个连接。

应用程序对open（）的调用将引起内核调用服务例程sys_open()函数，该函数接受的参数为：要打开文件的路径名和访问模式等。该系统调用成功后将返回一个文件描述符，也就是文件对象指针的一个索引，系统调用不成功时返回-1.

6. Linux上的时钟以及如何实现

Linux上有两种时钟，一个是由主板电池驱动的RTC时钟，另一种是内核时钟，有软件来根据时间中断进行计数。内核时钟在系统关机时不存在，操作系统启东时读取RTC时间进行同步，并在系统关机时将时间写会RTC

计时体系结构中的关键数据结构和变量

xtime是从系统中取得的时间，一般是从某一历史时刻开始到现在的时间，即操作系统上显示的时期，它的精度很微妙

jiffies是记录着从开机到现在总共的时钟中断次数。jiffies取决于系统的频率，单位是Hz，是周期的倒数，周期一般是一秒钟中断产生的次数。Linux系统时钟频率是一个常数HZ来决定的，通常HZ==100，精度为10ms。
内核一般通过Jiffies的值来获取当前时间。尽管该数值表示的是自上次系统启动到当前时间间隔，但因为驱动程序的生命期只限于系统的运行期，所以也是可行的。驱动程序利用Jiffies的当前值来计算不同事件间的时间间隔。硬件给内核提供一个系统定时器用以计算和管理时间，内核通过编程预设系统定时器的频率。