Linux实验总结分析报告

一、Linux系统概念模型

从整体来看，Linux可以划分为用户空间和内核空间，我们平常编写的用户程序以及C库函数都位于用户空间，而内核空间自顶向下可分为系统调用、内核(进程管理、内存管理、文件管理、中断等）以及平台架构相关代码。

1、Linux启动分析

当我们打开PC的电源，BIOS开机自检，按BIOS中设置的启动设备(通常是硬盘)启动，接着启动设备上安装的引导程序lilo或grub开始引导Linux，Linux首先进行内核的引导，接下来执行init程序，init程序调用了rc.sysinit和rc等程序，rc.sysinit和rc当完成系统初始化和运行服务的任务后，返回init；init启动了mingetty后，打开了终端供用户登录系统，用户登录成功后进入了Shell，这样就完成了从开机到登录的整个启动过程。

2、进程管理

linux内核通过task_struct(进程描述符)结构体来管理进程，多个任务的task struct组成的链表，被称为task list(任务列表)。

（1）进程创建：

在Linux系统中，所有的进程都是PID为1的init进程的后代。内核在系统启动的最后阶段启动init进程。该进程读取系统的初始化脚本（initscript）并执行其他的相关程序，最终完成系统启动的整个进程。Linux提供两个函数去处理进程的创建和执行：fork()和exec()。首先，fork()通过拷贝当前进程创建一个子进程。子进程与父进程的区别仅仅在于PID（每个进程唯一），PPID（父进程的PID）和某些资源和统计量（例如挂起的信号）。exec()函数负责读取可执行文件并将其载入地址空间开始运行。

（2）进程终止

依靠do_exit()（在kernel/exit.c文件中）把与进程相关联的所有资源都被释放掉（假设进程是这些资源的唯一使用者）。至此，与进程相关的所有资源都被释放掉了。进程不可运行（实际上也没有地址空间让它运行）并处于TASK_ZOMBIE状态。它占用的所有资源就是内核栈、thread_info和task_struct。

（3）进程调度

针对CFS调度实现部分主要涉及如下几个数据结构：

task_struct:为进程任务基础数据结构，存储着进程相关信息。
sched_entity:存储着进程调度相关的信息，其中run_node为可执行红黑树的节点。
ofs_rq: 存储着rb_root，红黑树的根节点task_timeline。
slab: linux内核对于对象内存的一种高效的管理机制, 可以有效的降低内存碎片。task_struct这类数据结构由slab分配并管理。

上下文切换，处理器从即为从一个可执行的进程切换到另一个可执行的进程，其中包含了两个关键的函数。

switch_mm：把虚拟内存从上一个进程映射切换到新进程中
switch_to：负责将上一个处理器状态信息切换到新进程的处理器状态。包括保存，恢复栈信息和寄存器信息。

简单的来说，CFS是动态计算程序优先级的一种调度算法，其内部算法核心是选取vruntime最小的进程进行调度运行，而维护最小的进程，使用了红黑树，而计算vruntime使用了所有进程数以及nice值的加权。Linux内核的调度程序CFS，尽可能的满足了各个方面的需求，并找到了一种在调度周期和吞吐量之间的平衡。

3、内存管理

Linux在内存管理上分为两级，一级是线性区，类似于00c73000-00c88000，对应于虚拟内存，它实际上不占用实际物理内存；一级是具体的物理页面，它对应我们机器上的物理内存。Linux内核在用户申请内存的时候，只是给它分配了一个线性区（也就是虚存），并没有分配实际物理内存；只有当用户使用这块内存的时候，内核才会分配具体的物理页面给用户，这时候才占用宝贵的物理内存。内核释放物理页面是通过释放线性区，找到其所对应的物理页面，将其全部释放的过程。

char *p=malloc(2048)  //实际只分配了虚拟内存，并不占用实际内存。
strcpy(p,”123”) // 分配了物理页面，虽然只是使用了3个字节，但内存还是为它分配了2048字节的物理内存
free(p) //通过虚拟地址，找到其所对应的物理页面，释放物理页面，释放线性区。

标准C库中，提供了malloc/free函数分配释放内存，这两个函数底层是由brk，mmap，munmap这些系统调用实现的

brk是将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推；
mmap是在进程的虚拟地址空间中（堆和栈中间，称为文件映射区域的地方）找一块空闲的虚拟内存

Malloc(<128K)时使用brk进行分配，malloc(>128K)时使用mmap进行分配。

4、文件管理

Linux支持了很多种类的文件系统，包含本地文件系统ext3、ext4到网络文件系统NFS、HDFS等，VFS系统屏蔽了不同文件系统的操作差异和实现细节，提供了统一的实现框架，也提供了标准的操作接口，这大大降低了操作文件和接入新文件系统的难度。

比如Linux写一个文件：

int ret = write(fd, buf, len);

调用了write()系统调用，它的过程简要如下：

首先，勾起VFS通用系统调用sys_write()处理。
接着，sys_write()根据fd找到所在的文件系统提供的写操作函数，比如op_write()。
最后，调用op_write()实际的把数据写入到文件中。

5、中断管理

中断请求（IRQ）是由可编程的中断控制器（PIC）发起的，其目的是为了中断 CPU 和执行中断服务程序（ISR）。中断服务程序（ISR）是一个小的程序，用来处理具体的数据，其具体的处理方式依赖于造成中断请求（IRQ）的原因。之前正在运行的进程在中断服务程序（ISR）运行结束前都会被中断。如今中断请求（IRQ）由 CPU 中的高级可编程中断控制器advanced programmable interrupt controller（APIC）部分来处理。每个核中都拥有属于自己的高级可编程中断控制器。

Linux中断机制由三部分组成：

（1）中断子系统初始化：内核自身初始化过程中对中断处理机制初始化，例如中断的数据结构以及中断请求等。

（2）中断或异常处理：中断整体处理过程。

（3）中断API：为设备驱动提供API，例如注册，释放和激活等。