Linux系统原理（工作模式）

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

        

《Linux内核设计和实现》《深入理解Linux内核》