0 - Hand on system programming with Linux - Linux 系统架构

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UNIX 哲学简介

下面是 UNIX 设计架构哲学核心:

一切皆进程，如果它不是进程，那么它是文件
一个工具实现一个任务
三个标准 I/O 通道
组合使用工具
纯文本
命令行
模块化
提供机制，而非策略

一切皆进程，若非进程则是文件

一个进程是执行程序的实例。一个文件是文件系统上的一个对象，除了包含纯文本或二进制的纯文本，它也可以是一个目录，一个符号链接，一个设备文件，一个命名管道，或一个套接字(UDS)。

UNIX 设计哲学将外设(比如键盘、鼠标、显示器、传感器、触摸板等)抽象为文件，并称之为设备文件。通过这么做，UNIX 允许应用程序忽略设备文件与普通文件的区别，只需要将它们视作常规盘文件就好。

内核为这个抽象提供一个层，称作虚拟文件系统切换(VFS: Virtual Filesystem Switch)。这样，应用开发者可以打开一个设备文件，并对这个打开的设备文件执行 I/O 读写操作，所有这些都使用常规的 API。

每一个进程在被创建时都会继承三个文件：

标准输入 stdin: fd 0，默认是键盘设备
标准输出 stdout: fd 1，默认是显示器
标准错误 stderr: fd 2，默认是显示器

fd 是对文件描述符的简称。

一个工具做一个任务

在 UNIX 设计中，需要避免制作瑞士军刀，相反，最好一个工具就用来做一个特定的工作。

举个例子，在使用 Linux 命令行工作时，可以查看现在挂载的文件系统，找到具有最多可用空间的地方:

$ df --local
Filesystem 1K-blocks Used Available Use% Mounted on
rootfs 20640636 1155492 18436728 6% /
udev 10240 0 10240 0% /dev
tmpfs 51444 160 51284 1% /run
tmpfs 5120 0 5120 0% /run/lock
tmpfs 102880 0 102880 0% /run/shm

为了对输出进行排序，我们可以先将输出保存到文件中，之后使用 sort 对文件内容进行排序:

$ df --local > tmp
$ sort -k4nr tmp
rootfs 20640636 1155484 18436736 6% /
tmpfs 102880 0 102880 0% /run/shm
tmpfs 51444 160 51284 1% /run
udev 10240 0 10240 0% /dev
tmpfs 5120 0 5120 0% /run/lock
Filesystem 1K-blocks Used Available Use% Mounted on

这么做会保留之前的第一行，我们可以使用 sed 删除第一行:

$ df --local > tmp
$ sed --in-place '1d' tmp
$ sort -k4nr tmp
rootfs 20640636 1155484 18436736 6% /
tmpfs 102880 0 102880 0% /run/shm
tmpfs 51444 160 51284 1% /run
udev 10240 0 10240 0% /dev
tmpfs 5120 0 5120 0% /run/lock
$ rm -f tmp

三个标准 I/O 通道

一些 UNIX 工具会从标准输入文件描述符，标准输入读取输入，并对读取到的数据进行操作，之后通过标准输出输出出来。任何错误输出可以输出到标准输出中。

组合使用工具

UNIX 工具可以从标准输入读入数据，并将数据打印到标准输出，并可以进行重定向的这个机制。可以使用进程间通讯的机制管道，来组合使用多个小工具。

纯文本

UNIX 程序一般设计工作伴随着纯文本。

一个常用的例子：一个应用，在启动时，解析一个配置文件。配置文件可以以二进制块形式组织。如果以纯文本文件形式，会有较高的可读性，理解与操作时会更加简单。可能会有人说，解析二进制文件会更快一点，但是考虑下面的情况:

一个更新的硬件，但是区别不很大
一个标准化的纯文本文件，比如 XML 可能有优化的代码去处理它了

命令行

UNIX 操作系统，已经它的应用，工具等，通常是通过命令行使用的，一个典型的使用情况是通过 shell。显然如果有图形用户界面对于用户而言是更加方便的。

MIT 的 Robert Scheifler 考虑在 X Window 系统下面设计一个架构，为它提供干净优雅的框架，GUI 做为操作系统上的一层，为 GUI 客户(GUI 应用)提供库。

这个架构保持到现在。在安卓中使用 Linux 内核，需要给终端用户提供一个图形界面，但是安卓系统开发者的接口 ADB 依然是命令行形式的。

模块化

UNIX 操作系统设计来面向多个程序员同时在系统上工作的。因此写干净、优雅便于理解的代码成了它的一种文化。

提供机制，而非策略

以一个简单的例子理解这个原则。

当设计一个应用时，你需要用户输入登录与密码。这个功能的实现，需要调用检查密码的函数，比如 mygetpas()，而这个函数又是由登录函数 mylogin() 调用，就是说:

mylogin()
{
    ...
    mygetpass();
    ...
}

再然后，要遵守的协议是，如果获取到三次错误的用户密码，程序将拒绝访问。

UNIX 哲学是，如果密码输错三次，不要直接在 mygetpass() 函数中退出。相反，mygetpass() 仅需要返回一个布尔值(若密码正确返回 ture，若密码错误则返回 false)，并通过 mylogin() 函数调用实现后续的逻辑。

错误逻辑的伪代码：

mygetpass()
{
    numtries = 1;
    //获取密码
    if(password-is-wrong)
    {
        numtries++;
        if(numtries >= 3)
        {
            //写错误信息并记录错误信息
            //退出
        }
	}
}
//密码正确，继续
mylogin()
{
    mygetpass()
}

下面是 UNIX 逻辑的伪代码：

mygetpass()
{
    //获取密码
    if(password-is-wrong)
        return false;
    
    return ture;
}
mylogin()
{
    maxtries = 3;
    while(maxtries--)
    {
        if(mygetpass() == true)
            //继续后续操作
    }
    //如果执行到这里，则表示密码获取失败
    //写错误信息并记录错误信息
    //退出
}

系统架构

ABI

让我们写一个简单的 C 程序，并在设备上运行它。

不过，C 代码不能直接在 CPU 上运行，需要转化为机器语言。因为，我们需要安装工具立案，包括编译器、链接器、库对象以及其他的工具。我们对 C 源代码编译并链接将它们转化为可以在系统上执行的可执行格式。

处理器指令集架构 ISA，包括机器的指令格式，支持的地址架构，以及寄存器模型。实际上，CPU OEM 厂商释放描述机器是如何工作的文档，这个文档一般称作 ABI。ABI 相对于 ISA 有更详细的描述，它描述了机器指令集格式，寄存器集细节，调用传统，链接语义，以及可执行文件格式，比如 ELF。

以下面的 C 代码为例:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    int a;
    printf("Hello, Linux System Programming, World!\r\n");
    a = 5;
    exit(0);
}

可以使用下面的命令编译这个源码:

$ gcc -Wall -Wextra hello.c -o hello
hello.c: In function ‘main’:
hello.c:7:6: warning: variable ‘a’ set but not used [-Wunused-but-set-variable]
    7 |  int a;

在产品代码中不要忽视编译器警告信息，避免所有的警告信息，即便是最简单的警告，这可以令代码变得正确，稳定，安全

使用 objdump 工具，查看机器码与其对应的汇编码:

$ objdump --source ./hello

让我们看一下源码 a = 5 对应的行:

1181:       c7 45 fc 05 00 00 00    movl   $0x5,-0x4(%rbp)

我们现在可以得到:

源码	汇编语言	机器码
a = 5;	`movl $0x5, -0x4(%rbp)`	c7 45 fc 05 00 00 00

因此，程序执行时，它会取指并执行机器指令，得到期望的结果。

通过内联汇编访问寄存器内容

现在让我们看一下更深入的挑战：使用内联汇编访问 CPU 寄存器。

x86_64 具有多个寄存器，让我们看一下 RCX 寄存器，这里我们会使用 x86_64 的一个特性，x86 的 ABI 做函数调用返回值会放在 RAX 中。使用这个知识，我们可以写一个使用内联汇编的函数，来将我们期望的寄存器的值放到 RAX 中，这将保证值能够返回到调用者:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

typedef unsigned long u64;

static u64 get_rcx(void)
{
    /* 将寄存器值移入 RAX 请求一个寄存器值，RAX 通过函数返回 */
    __asm__ __volatile__(
    	"push %rcx\n\t"
        "movq $5, %rcx\n\t"
        "movq %rcx, %rax");
    __asm__ __volatile__("pop %rcx");
}

int main(void)
{
    printf("Hello, inline assembly:\r\n [RCX] = 0x%lx\r\n]", get_rcx());
    exit(0);
}

$ gcc -Wall -Wextra getreg_rcx.c -o getreg_rcx
getreg_rcx.c: In function ‘get_rcx’:
getreg_rcx.c:14:1: warning: no return statement in function returning non-void [-Wreturn-type]
   14 | }

$ ./getreg_rcx
Hello, inline assembly:
 [RCX] = 0x5

通过内联汇编访问控制寄存器

x86_64 处理器具有六个控制寄存器，从 CR0 到 CR4 以及 CR8。这些控制寄存器对于系统而言是十分重要的。

让我们考虑 CR0 寄存器，Intel 手册中表示，CR0 包括系统控制标志位，控制着操作系统的工作模式，以及处理器的状态。

我们修改前一个程序访问并展示它的内容：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

typedef unsigned long u64;

static u64 get_rcx(void)
{
    __asm__ __volatile__("movq %cr0, %rax");
}

int main(void)
{
    printf("Hello, inline assembly:\r\n [RCX] = 0x%lx\r\n]", get_rcx());
    exit(0);
}

$ make getreg_cr0
cc     getreg_cr0.c   -o getreg_cr0

$ ./getreg_cr0
Segmentation fault (core dumped)

好像没有获得我们预期的结果。

CPU 权限等级

如果一个程序员可以随意访问处理器的指令集，盲目地执行它，将会令设备损坏。

使用处理器的 CR0 控制寄存器，这个寄存器包含控制标志位，控制着处理器的操作模式。如果有不受限的访问 CR0 寄存器，可以切换这个标志位，可以做下面的操作：

打开或关闭硬件页
关闭 CPU cache
修改 cache 以及分配的属性
关闭由操作系统标识的只读的内存写保护

为了系统及其硬件资源的安全、鲁棒、正确，所有现代 CPU 都支持权限等级的概念。

现代 CPU 支持至少两个权限等级，或者说是模式，通常为：

超级用户
普通用户

权限等级或模式名	权限等级	用途	术语
超级用户	高	操作系统以此权限运行	内核空间
普通用户	低	应用代码运行在此模式	用户空间

`x86` 上的权限等级或权限 ring

Intel 处理器支持四个权限等级或 ring，Ring 0、Ring 1、Ring2 以及 Ring 3，在 Intel CPU 上，Ring 0 具有最高权限:

ring	权限	用途
Ring 0	最高	操作系统以此权限运行
Ring 1	< ring 0	未使用
Ring 2	< ring 1	未使用
Ring 3	最低	应用代码运行在此模式

处理器指令集架构为每一条指令分配一个权限等级，在某个权限下它们才可以被执行。一条可以在普通用户权限下指令的指令，自然可以在超级用户权限下执行。这种权限对一些寄存器的访问也是类似的。

为了使用 Intel 数据，当前权限等级 CPL: Current Privilege Level 是处理器执行当前代码所处的权限。

比如：

foo1 机器指令允许在超级用户权限下执行
foo2 机器指令允许在普通用户权限下执行

机器指令	允许的模式	CPL	是否可以工作
foo1	超级用户权限	0	可以
foo1	超级用户权限	3	不行
foo2	普通用户权限	0	可以
foo2	普通用户权限	3	可以

现在我们再看之前的两个程序，getreg_rcx.c 能够工作，是因为它访问的寄存器可以再用户空间被访问。而 getreg_cr0.c 不能执行，因为它企图访问 CR0 控制寄存器，这在普通用户权限下是禁止的，只在超级用户权限下可以访问。只有操作系统或者内核代码可以访问控制寄存器。

Linux 架构

Linux 系统架构是分层的。

分层
应用程序
库程序接口 `Lib API`
`glibc`/系统调用接口 `SysCall API`
操作系统内核，驱动 `Kernel API`
硬件

分层的一个好处，每一个层只需要考虑它上一层与下一层。这会有如下优点：

干净设计，降低复杂度
标准化，互通性
从栈中交换各层
可以按照需要引入新层

库

库是代码的归档，使用库来帮助将代码模块化，标准化，避免重复造轮子。Linux 桌面系统可能具有上千的库。

经典的 hello world 程序使用 printf 应用程序接口来展示字串：

printf("hello world\r\n");

printf 是哪里来的呢？他是 C 标准库的一部分，在 Linux 上，它被成为 GNU libc (glibc)。glibc 不仅包括 C 程序，实际上，它也是操作系统的程序接口，通过系统调用实现。

系统调用

系统调用是实际的内核功能，可以从用户空间通过 glibc 的程序调用。它们做为临界函数将用户空间与内核空间连接到一起。如果一个用户程序希望请求内核的服务，它通过系统调用。因此，系统调用是内核的唯一合法入口。没有其他用户空间进程调用内核的方式。

可以换个角度思考，Linux 内核内部具有成千的接口，只有一小部分是暴露给用户空间的，这些暴露的接口就是系统调用。现代 glibc 具有接近 300 个系统调用。

有一个关键点，系统调用与其他接口是不同的。它们最终会调用内核代码，它们有能力穿越用户空间界限，它们具有切换普通权限到超级权限的能力。

所有现代 CPU ABI 都提供至少一个切换普通用户模式到超级用户模式的指令，在 x86 处理器上，传统的方式是使用中断 0x80 机器指令，这是一个软件中断 (或陷阱)。

CPU	机器指令提供陷阱	系统调用分配的寄存器
`x86`/`x86_64`	中断 `0x80` 或系统调用	`EAX/RAX`
`ARM`	`swi/svc`	`R0 - R7`
`Aarch64`	`svc`	`X8`
`MIPS`	`syscall`	`$v0`

Linux 一个单体架构操作系统

操作系统通常是两类：单体架构或微内核。Linux 是单体架构操作系统。

这是什么意思

monolith 英文单词表示一大块直立的石头。

在 Linux 操作系统上，应用以独立的称作进程的实例运行。一个线程可能是单线程或多线程的。现在，我们会考虑进程运行在 Linux 上，一个进程是正在执行程序的实例。

当一个用户空间进程调用一个库接口时，库 API 可能进行系统调用也可能不会进行系统调用。比如，执行 atoi(3) 时，这个 API 不会执行系统调用，因为它不需要内核就可以实现字符串与整型数的转换。

我们看一个经典的例子:

#include <stdio.h>
main()
{
    printf("hello, world\r\n");
}

那么 printf 是怎么将内容打印到设备上的呢？实际上，printf 并不能自己实现这个功能。printf 只会组成一个字串，完成之后，它会调用 write 系统调用。write 系统调用会将 buffer 内容写到设备文件(显示器)中，标准输出。简言之，内核代码 write 最终切换到需要的驱动代码，设备驱动可以直接操作外设。

从顶而下，glibc 由于两个部分组成:

与架构无关的 glibc，常规的 libc 接口，比如 printf、sprintf、snprintf、vprintf、memcpy、memcmp、atoi 等
与架构相关的 glibc，系统调用的接口

一般会被理解成下面的执行过程:

hello world 程序调用 printf 库函数
printf 执行 write 系统调用
从普通用户模式切换到超级用户模式
内核接管将 hello world 写到显示器
切换回到普通用户模式

实际上并不是这样，事实是，在单体设计中，没有内核。换言之，内核也是进程的一部分，它按照如下过程工作：

hello world 程序调用 printf 库函数
printf 执行 write 系统调用
进程调用系统调用从普通用户模式切换到超级用户模式
进程运行后续的内核代码，以及后续的设备驱动代码，并将 hello world 写到显示器
进程之后切换回普通用户模式

在内核内执行上下文

内核代码总是执行下面两个之一的上下文:

进程
中断

进程上下文

我们现在清楚，可以通过系统调用来获取内核服务。当这种情况发生时，这个进程会以内核态运行系统调用需要的内核代码。这是进程上下文，内核代码现在运行在进程的上下文。

进程上下文代码具有如下的属性：

总是由一个进程或线程执行一个系统调用触发
从上到下的方式
由进程同步执行内核代码

中断上下文

考虑一个场景，一个网络包以你的以太网卡地址做为目标，到达了适配器，硬件检测它、收集它并将它填充到 buffer 中。现在它必须要让操作系统知道，详细地说，它希望让网卡设备驱动知道这件事，这样驱动可以将数据打包接收。通过置一个中断来通知网卡驱动清楚这件事。

我们知道，设备驱动是在内核空间中，因此它们代码以内核态运行。驱动代码中断服务例程(ISR: Interrupt service routine)现在执行，提取数据包，将它发送给操作系统网络协议栈，等待处理。

网卡设备驱动地中断服务例程是内核代码，它不是任何进程的上下文。实际上，硬件中断可能会中断通知给多个进程，因此我们称它为中断上下文。

中断上下文具有如下属性：

总是由硬件中断触发(不是软件中断，故障或异常，因为它们依然是进程上下文)
从底向上
异步执行

posted @ 2022-12-05 22:12 ArvinDu 阅读(210) 评论(0) 编辑收藏举报

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