课程学习总结报告

一：Linux内核整体架构

 

上图给出了Linux内核的整体架构。共5个子系统，分别负责如下的功能：

 

1. 进程调度：这个本课程的核心，负责管理CPU资源，采用动态的优先级调度算法来调度cpu，既考虑了任务的紧急性，也不至于产生“饥饿”的现象。

 

2. 内存管理：这个部分在两位老师的课程中涉及的并不多，它负责管理Memory（内存）资源，以便让各个进程可以安全地共享机器的内存资源。另外，内存管理会提供虚拟内存的机制，该机制可以让进程使用多于系统可用Memory的内存。

 

3. VFS（Virtual File System）：虚拟文件系统，Linux内核将不同功能的外部设备，例如Disk设备（硬盘、磁盘、NAND Flash、Nor Flash等）、输入输出设备、显示设备等等，抽象为可以通过统一的文件操作接口（open、close、read、write等）来访问。这就是Linux系统“一切皆是文件”的体现。

 

4. 网络子系统：这个部分本课程并未涉及，所以在博客后面的部分也不会涉及到，它主要负责管理系统的网络设备，并实现多种多样的网络标准，我们常见的TCP/IP协议其实已经封装在Linux内核里面了。

 

5. IPC（Inter-Process Communication）：进程间通信。IPC不管理任何的硬件，它主要负责Linux系统中进程之间的通信，本课程也未涉及。

 

二：进程管理

1：进程的定义：

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

2：进程的状态：

 

 

 

3：进程的调度策略

 

 

 

 

 

可运行队列分为活动进程队列和过期进程队列，如果是普通进程，时间片用完了进入过期队列(但是如果这个普通进程是交互进程，并且要么过期队列里面的进程优先级都比这个进程低，要么过期队列里面的线程存在的时间不长，那么也会放入活动队列)，实时则还是进入活动队列，为何引入活动和过期，就是为了让每个进程都能得到运行。因为调度永远是从活动队列里面选进程，随着时间推移，活动队列越来越小，直到为0，过期队列原来越大，此时过期队列的进程全部拷贝到活动队列，继续进行调度。

 

4：进程切换分析

把复杂的代码分析过程抽象出来，可以说从一个进程切换到另一个进程，其实就是保存当前的进程上下⽂环境，下次进程被调度执⾏时，需要恢复进程上下⽂环境，就这样通过虚拟化的进程概念实现了多道程序在同⼀个物理CPU上并发执⾏。

 

二：中断和异常

1：为什么要有中断？

因为I/O速度慢，如果在进行I/O的时候一直让cpu等是一件很低效的事情，所以I/O准备好再通知(中断)cpu是一个比较好的方法，在那之前cpu可以做自己的事情

 

2：定义

中断——异步的(如敲键盘)：

由硬件随机产生，在程序执行的任何时候可能出现

 

异常——同步的（如1/0，int指令，缺页，系统调用之类的）：

在（特殊的或出错的）指令执行时由CPU控制单元产生

我们用“中断信号”来通称这两种类型的中断

 

3：中断处理过程

用大白话说中断处理过程的核心原理就是：找对应的中断向量，通过中断向量找到对应的中断处理程序，保存现场，然后执行中断处理程序，中断处理程序会进一步保存现场(一般是保存通用寄存器的值)，然后处理中断，最后执行中断返回程序，中断返回程序主要就是恢复现场，接着中断之前的指令执行。中断处理示意图如下：

 

 

 

4：系统调用过程

整个过程就是这样的：用户态 - 系统调用 - 保存寄存器 - 内核态执行系统调用 - 恢复寄存器 - 返回用户态，然后接着运行。

 

 

 三：设备管理

在计算机系统中，CPU 并不直接和设备打交道，它们中间有一个叫作设备控制器（Device Control Unit）的组件，例如硬盘有磁盘控制器、USB 有 USB 控制器、显示器有视频控制器等。这些控制器就像代理商一样，它们知道如何应对硬盘、鼠标、键盘、显示器的行为。

 

 

 四：文件管理

这一节，在李春节老师的讲解下，我主要对于文件系统的主要功能有了一个总体的印象，但是深入的细节并没有掌握的很好，我学到了以下知识：

• 每一个硬盘上保存的文件都要有一个索引，来维护这个文件上的数据块都保存在哪里。

• 文件通过文件夹组织起来，可以方便用户使用。

• 为了能够更快读取文件，内存里会分配一块空间作为缓存，让一些数据块放在缓存里面。

• 在内核中，要有一整套的数据结构来表示打开的文件。

• 在用户态，每个打开的文件都有一个文件描述符，可以通过各种文件相关的系统调用，操作这个文件描述符。

 

 

 

五：总结

通过这门课我对Linux的原理有了更深入的了解，以前完全是雾里看花，现在总算拨开了一点云雾。

从孟老师的课程我学到了：

 1：应该如何分析一段代码对应的汇编程序，寄存器值得变化，栈帧的变化等

 2：进程之间的切换原理

 3：如何编译和调试Linux内核

 4：系统调用的层次结构和原理

 5：可执行程序的工作原理

 

从李老师的课程我学到了：

1：系统调用过程的内核源码分析

2：文件系统的总体结构和相关的数据结构

3：进程的调度方法和原理

4：CPU是如何管理和访问I/O设备的

5：Linux时钟系统的作用原理

 

孟老师理论和实验结合，李老师着重源码分析，都给我带来了极大的启发，但是时间仓促，很多东西无法及时消化，我会在后面继续进行巩固和学习。