课程学习总结报告

这门课程刚开始的时候，孟老师将Linux内核与其他各个模块的关系用非常简洁而又形象的图画表示出来，我认为，这张图对任何一个Linux小白，都有非常好的引导意义，是Linux内核模型大的框架，如下图所示。

 

 

经过大半个学期的学期，我也对Linux内核有了更多的认识。在我看来，作为操作系统最关键的一部分，Linux 内核是连接计算机软硬件的桥梁，起到了非常关键的承上启下作用。向上延伸，它提供了各式各样基础且关键的API接口，供上层库函数和程序通过系统调用来使用；向下延伸，它直接对接硬件设施。也就是说，Linux内核是一个“中介”，向“客户”（应用程序）提供服务，并将“客户”需求转化为“施工方”（硬件）能够理解的概念，以便项目落地。

对Linux内核模型再进一步了解，可以按照功能模块，再细分成进程管理、内存管理、虚拟文件系统、网络系统和进程间通信，如下图所示。

 

 

1、         进程管理：管理最核心的CPU资源，保证各个进程能够合理地利用CPU资源完成自身任务。

2、         内存管理：管理内存资源，使得内存被进程安全使用。

3、         虚拟文件系统：为方便对外设进行管理，将如硬盘、光盘等外设均抽象为虚拟文件，Linux内核提供诸如open、write、read等接口函数对其统一管理。

4、         网络系统：管理涉及网络操作的资源。

5、         进程间通信：为进程间交流资源提供渠道。

 

其中，进程管理为Linux内核最重要的部分，因为在操作系统中，进程是程序运行的动态实体，所有进程的工作开展都要依托于Linux内核的进程调度，其相互关系如下图所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

最终程序以进程的形式得到CPU资源而运行，当其需要调动下层资源时，会向Linux操作系统内核发出系统调用请求，运行环境从用户态转向内核态，在某个时间节点，完成预期功能，再返回用户态继续运行。

 

以上即为基于本人的有限认识对Linux系统概念模型的总结，接下来以“读取文件”的一系列流程为例，进一步完善对模型的认识

 

操作系统读文件hello.txt，大体可以划分为如下流程：

 

 

1、         为读入文件做准备

在实例程序运行到 read 函数时，软中断int 0x80通过中断描述符表，跳到system_call，最后跳转至system_read去执行.

int sys_read(unsigned int fd, char * buf, int count) {
  ……
  if (fd >= NR_OPEN || count < 0 || !(file = curren t-> file[fd]))    
  ……
  return file_read(inode, file, buf, count);
}

 先检查输入参数的合理性，最后调用file_read函数读取文件。

2、         确定要文件内容的位置

int file_read(struct m_inode * inode, struct file * flip, char * buf, int count) { 
    …… 
    while(left) {
　　if (nr = bmap(inode, (flip->f_pos)/BLOCK_SIZE))
           …… 
    } 
    ……
}

 在while循环中，根据数据的实际组织方式，确定文件内容在硬盘上的“块号”。

 

3、         将指定数据从硬盘读至系统缓冲区

以硬件的“块号”和“设备号”为依据，从硬盘中将hello.txt对应的数据块读入缓冲区。

int file_read(struct m_inode * inode, struct file * flip, char * buf, int count) { 
    …… 
　　if(!(bh=bread(inode->i_dev, nr)))
    ……
}

inode->i_dev为硬盘设备号，nr为具体块号，bread函数为读盘指令。一旦开始从硬盘读取数据，进程便转为不可中断的状态，直到数据全部读入缓冲区。

从中可以看出，上层程序读取文件时无需知晓任何具体硬件知识，由Linux内核完成涉及到底层的数据操作。

 

4、         将数据拷贝至程序运行的指定空间

先检测是否读完指定的数据量

int file_read(struct m_inode * inode, struct file * flip, char * buf, int count) { 
    …… 
　　while(left) {
　　　  ……
　　　　nr　= filp->f_pos % BLOCK_SIZE;
      chars = MIN(BLOCK_SIZE - nr, left);
　　　　……
   }
    ……
}

 若没有读完，更新left的值，确定具体还有多少没有读完

int file_read(struct m_inode * inode, struct file * flip, char * buf, int count) { 
    …… 
　　while(left) {
　　　  ……
　　　　filp->f_pos += chars;
       left -= chars;
　　　　……
   }
    ……
}

最后把已经读出来的数据拷贝到用户空间

int file_read(struct m_inode * inode, struct file * flip, char * buf, int count) { 
    …… 
　　while(left) {
　　　  ……
　　　　if (bh) {
　　　　　　char *p =nr + bh->b_data;
　　　　　　while(chars-->0)
　　　　　　　　put_fs_byte(*(p++), buf++);
　　　　　　　　brelse(bh);
　　　　}
　　　　……
   }
    ……
}

 

int file_read(struct m_inode * inode, struct file * flip, char * buf, int count) { 
    …… 
　　while(left) {
　　　  ……
　　　　filp->f_pos += chars;
       left -= chars;
　　　　……
   }
    ……
}

通过file_read函数中的while(left){……}循环，完成hello.txt文件从硬盘到用户运行空间的读取。

 

课程总结：

在选这门课之前，我对Linux的认知仅限于一些诸如cd、ls等简单的指令，对操作系统的认知也仅限于操作系统相关教材中抽象的文字描述，其他的东西一窍不通。通过这个学期的学习，通过老师们对实际的代码的讲解，加深了我对操作系统的理解，大致知晓Linux是如何工作的，并且经过几次实际的实验操作，稍微有了跟踪、调试Linux系统的运行机制。

Linux作为一个广受欢迎并普遍应用于各行各业的操作系统，无疑是非常成功的。其内核模块也是相当复杂，不甚晦涩。虽有老师们的悉心讲解，但我感觉自己仅仅是摸到其新手门槛，要学习的知识浩如烟海，我了解到的仅是皮毛而已。

不过收获还有非常之多的，特别是通过几次实验的实际操作，我学会了如何调试内核，如何去逐步分析系统调用、如何去理解内核中的汇编代码等等。

感谢这门课程的学习，为我展示了计算机新世界的冰山一角！