Linux核心原理：操作系统综述

一、Linux内核

（1）内核饰演的角色

操作系统像一家软件外包公司，内核就是这家公司的老板，操作系统就是用于协调各种资源帮客户办成事情。

（2）要点

1、内核通过协调操作系统各种资源，实现各种功能；自补充：系统资源最终还是指时间和空间资源。
2、内核通过系统调用、文件管理子系统、进程管理子系统、内存管理子系统、网络管理子系统、设备子系统协调和管理着操作系统的各项源，是完成协调工作的具体实现载体。
3、系统调用是系统功能调用的统一入口
4、进程管理子系统管理进程生命周期和资源
5、内存管理子系统对内存进行管理、分配、回收、隔离
6、文件子系统管理文件，相当于档案管理系统，管理文档资料
7、设备子系统管理输入输出设备
8、网络子系统，网络协议栈和收发网络包

（3）理解鼠标双击QQ，操作系统干了什么

1、鼠标是输入设备，鼠标驱动负责鼠标与设备子系统通信；
2、鼠标双击QQ图标时，鼠标发送硬中断，内核执行硬中断处理函数，快速处理硬中断信息，将鼠标双击QQ的必要信息和数据复制到内存，调起软中断处理函数，结束硬中断，软中断执行硬中断未完成后续任务；
3、软中断唤起1号进程，1号进程进入CPU，根据传入的信息，知道QQ程序存放虚拟文件系统位置，实际是把位置信息从内存装载到CPU寄存器中，然后创建新进程，即QQ进程；
4、创建QQ进程，QQ进程进入就绪状态，被调入CPU运行处于运行状态，根据程序这个计划书，加载相应数据到内存，执行二进制的指令；
5、QQ启动后需要显示到显示器，QQ程序调用系统调用，QQ陷入内核态，操作硬件资源的代码都是内核态代码，也就是内核函数，产生软中断事件，告诉显示卡驱动程序，要在显示器什么位置现实QQ的登录框，显卡驱动程序收到指令和数据后，立即回应QQ进程，QQ进程让出CPU处于等待状态；显卡驱动继续协调显卡芯片、显卡内存处理显示数据，最终由显卡将QQ登录框显示在显示器上，同时产生硬中断事件，告诉QQ进程显示完成，QQ进程从等待状态恢复到就绪状态，等待用户的输入产生硬中断，再次被调入CPU执行功能。就可以愉快的聊天了。

（4）最新稳定内核版本时5.0.7，目录结构

kernel：内核管理核心代码-进程管理子系统
mm：内存管理代码-内存管理子系统
drivers：驱动程序代码-设备管理子系统
fs：文件系统代码-文件管理子系统
net： 网络协议代码-网络管理子系统
arch： 体系结构代码，如x86、arm等
ipc： 进程间通信子系统
init： Linux系统启动初始化相关代码

二、常见Linux命令

三、几个系统调用

（1）创建进程

1、Linux中父进程调用fork创建子进程。在 Linux 里，要创建一个新的进程，需要一个老的进程调用用 fork 来实现，其中老的进程叫作父进程（Parent Process），新的进程叫作子进程（Child Process)。
2、父进程调用fork时，子进程拷贝所有父进程的数据接口和代码过来。
3、当前进程是子进程，fork返回0；当前进程是父进程，fork返回子进程进程号
4、如果返回0，说明当前进程是子进程，子进程请求execve系统调用，执行另一个程序。
5、如果返回子进程号，说明当前进程是父进程，按照原父进程原计划执行。
6、父进程要对子进程负责，调用waitpid将子进程进程号作为参数，父进程就能知道子进程运行完了没有，成功与否。
7、操作系统启动的时候先创建了一个所有用户进程的“祖宗进程”，进程号为0，0号进程是所有用户态进程的祖先
1）创建进程的系统调用：fork
2）执行另一个程序的系统调用：execve
3）将子进程的进程号作为参数传给它，父进程就能知道子进程运行完了没有，成功与否：waitpid

（2） 内存管理

1、每个进程都有独立的进程内存空间，互相之间不干扰。（隔离性）
2、进程内存空间，存放程序代码的部分，称为代码段（Code Segment）。
3、存放进程运行中产生数据的部分，称为数据段（Data Segment）。
4、动态分配的，会较长时间保存，指明才销毁的，这部分称为堆（Heap)
5、进程写入数据的时候，现用现分物理内存给进程使用。
6、分配内存数量比较小时，使用brk调用，会和原来的堆数据连在一起。
7、需要分配的内存数据量比较大的时候，使用mmap，重新划分一块内存区域。
1）分配较小内存数量，和原来堆内数据连在一起：brk
2）分配较大内存数量，重新划分一块内存区域：mmap

（3）文件管理

文件的操作六个最重要系统调用：
1、打开文件：open
2、关闭文件：close
3、创建文件：creat
4、打开文件后跳到文件某个位置：lseek
5、读文件：read
6、写文件：write
7、Linux一切皆文件
1）启动一个进程，需要一个程序文件，这是一个二进制文件。
2）把日志打印到交互控制台上，在命令行上唰唰地打印出来，这其实也是一个文件，是标准输出stdout 文件。
3）进程可以通过网络和其他进程进行通信，建立的Socket，也是一个文件。
4）进程运行起来，要想看到进程运行的情况，会在 /proc 下面有对应的进程号，还是一系列文件。
8、一切皆文件的优势即使统一了操作的入口，提供了极大的便利。

（4） 信号处理（异常处理）

进程执行过程中一旦有变动，就可以通过信号处理服务及时处理。
1、在执行一个程序的时候，在键盘输入“CTRL+C”，这就是中断的信号，正在执行的命令就会中止退出
2、非法内存访问
3、硬件故障
4、用户进程通过kill函数，将一个用户信号发送给另一个进程

（5）进程间通信

1、消息队列方式
1）创建一个新的队列：msgget
2）发送消息到消息队列：msgsnd
3）取出队列中的消息：msgrcv
2、 共享内存方式
1）创建共享内存块：shmget
2）将共享内存映射到自己的内存空间：shmat
3）利用信号量实现隔离性
占用信号量：sem_wait
释放信号量：sem_post

（6）网络通信

网络服务是通过套接字 Socket 来提供服务的

总结图：

练习

用strace跟踪"ls -al"的系统调用
大体流程如下：

1. 先执行execve，调用ls命令;
2. 调用open、read、fstat、mmap、mprotect、mmap、close读取动态链库和系统配置文件；
3. 读取passwd、group文件，获取用户信息，lstat、lgetxattr、getxattr获取文件属性，同时判断权限；
4. 调用write输出内容；
5. munmap释放内存，close关闭。