Linux簡述
Linux指的是Linus Torvalds維護的（及通過主要鏡像⽹站發 布的）內核。
Linux操作系統的體系架構分為用戶態和內核態
用戶態：CPU可以執行包括特權指令在內的所有指令，可以訪問內存中的所有數據，包括外圍設備，如硬盤、網卡等。
內核態：CPU能夠執行有限范圍內的指令，只能訪問用戶進程中的數據，且不能訪問外圍設備。
Linux系統一般由４個主要部分組成：內核、shell、文件系統和應用程序。
內核、shell和文件系統一起形成了基本的操作系統結構，它們使得用戶可以運行程序、管理文件並使用系統。
Linux內核主要有以下幾個功能：
- 進程管理：保證各個進程能夠合理地利用CPU資源完成自身任務。
- 內存管理：管理內存資源，使得內存被進程安全使用。
- 文件管理：通過文件系統來組織和管理在計算機中所存儲的大量程序和數據。
- I/O設備管理：將鼠標、鍵盤等外設抽象為虛擬文件，Linux內核提供諸如open、write、read等接口函數對其統一管理。
一 進程管理
操作系統內核中最核心的功能是進程管理
進程是程序在處理機上的一次執行過程，它是一個動態的概念。而程序是指令的有序集合，是一個靜態的概念。
進程的上下文(context)包括進程的狀態、有關變量和數據結構的值、機器寄存器的值和PCB以及有關程序、數據等。
進程管理的核心功能大致分為四類:控制，同步，通信，調度。內核通過 SCI 提供了一個應用程序編程接口（API）來創建一個新進程（fork、exec），停止進程（kill、exit），並在它們之間進行通信和同步（signal ）。
進程的狀態大體上分為：可運行態、暫停態、等待態/等待態、僵死態。
當正在執行的進程由於某種原因要讓出處理機時，系統要做進程上下文切換，以使另一個進程得以執行。
進程調度的時機:
- 進程狀態發生變化時
- 當前進程時間片用完時
- 進程從系統調用返回到用戶態時
- 中斷處理后，進程返回到用戶態時
Linux進程調度
Linux的進程調度是基於優先級的調度。Linux的進程分為普通進程和實時進程，在基於優先級的算法下實時進程的優先級高於普通進程。Linux中進程的優先級是動態的，調度程序周期性的調整他們的優先級，避免進程飢餓。調度策略：
SCHED_OTHER 非實時進程，基於優先級的輪轉法
SCHED_FIFO 實時進程，基於先進先出算法
SCHED_RR 實時進程，基於優先權的輪轉法
在可運行隊列結構中，arrays數組的兩個元素分別用來表示活動進程集合和過期進程集合，active和expired兩個指針分別直接指向這兩個集合。活動進程：處於可運行狀態的進程，並且還沒有用完他們的時間片，他們等待被運行。過期進程：處於可運行狀態的進程，但已經用完了自己的時間片，在其他進程沒有用完它們的時間片之前，他們不能再被運行。
二 中斷處理
中斷分外部中斷（硬件中斷）和內部中斷（軟件中斷）。內部中斷⼜稱為異常（Exception），異常⼜分為故障（fault）和陷阱（trap）。中斷（廣義）會改變處理器執行指令的順序，通常與CPU芯片內部或外部硬件電路產生的電信號相對應。中斷是異步的：由硬件隨機產生，在程序執行的任何時候可能出現；異常是同步的：在（特殊的或出錯的）指令執行時由CPU控制單元產生。
系統調用作為一種特殊的中斷，就是利⽤陷阱（trap）這種軟件中斷⽅式主動從⽤戶態進⼊內核態的。
進程上下文是把系統提供給進程的處於動態變化的運行環境總和。
中斷上下文它是一個內核控制路徑，代表了中斷發生時正在運行的進程執行。
中斷的處理過程：
- 確定中斷向量。
- 利用中斷向量在IDT中找到對應中斷門，在中斷門中得到段選擇符從而可以從GDT中找到中斷服務例程的段基址。
- 確定中斷發生的特權級合法（linux只有內核態和用戶態兩種特權級，此步用來檢查中斷程序的特權是否低於引起中斷的程序的特權，低優先級程序不能引起高優先級程序）
- 檢查是否發生特權級變化（用戶態陷入內核態，這時候需要設置內核的堆棧），如果發生讀取當前程序的tss段（通過tr寄存器讀取）來選擇新特權級的ss和esp指針，然后保存舊的ss和esp指針。
- 若發生的是故障，用引起異常的指令地址修改cs和eip寄存器的值，以使得這條指令在異常處理結束后能被再次執行。
- 在棧中保存eflags、cs和eip的內容。
- 如果異常產生一個硬件出錯碼，則將它保存在棧中。
- 裝載cs和eip寄存器，其值分別是IDT表中第i項門描述符的段選擇符和偏移量字段。這對寄存器值給出中斷或者異常處理程序的第一條指定的邏輯地址
三、系統調用
Linux內核中設置了一組用於實現各種系統功能的子程序，稱為系統調用。用戶可以通過系統調用命令在自己的應用程序中調用它們。
系統調用和普通的函數調區別：
系統調用由操作系統核心提供，運行於核心態；
普通的函數調用由函數庫或用戶自己提供，運行於用戶態;
使用系統調用：
進程是不能訪問內核的。它不能訪問內核所占內存空間也不能調用內核函數，但是系統調用可以。其原理是進程先用適當的值填充寄存器，然后調用一個特殊的指令，這個指令會跳到一個事先定義的內核中的一個位置。
進程可以跳轉到的內核位置叫做sysem_call。這個過程檢查系統調用號，這個號碼告訴內核進程請求哪種服務。然后，它查看系統調用表(sys_call_table)找到所調用的內核函數入口地址。接着，就調用函數，等返回后，做一些系統檢查，最后返回到進程（或到其他進程，如果這個進程時間用盡）。如果你希望讀這段代碼，它在<內核源碼目錄>/kernel/entry.S，Entry(system_call)的下一行。
四 文件系統
Linux為上層用戶提供了一個統一的、抽象的界面來訪問文件系統，實際的文件系統必須實現符合VFS標准的接口，才能與VFS協同工作。
- 每次open一個文件都會創建一個file對象，如果使用dup()或fork()則一個或多個進程file_sturct的fd_array條目可以指向同一個file對象；
- file對象中的f_op被設置成指向某個具體文件系統所系統的一組操作函數；
- file對象中還保存了文件的讀寫位置，並保存了指向該文件的inode指針，將inode串成雙向鏈表構成系統inode表。
- 所以整體上是每個進程的文件描述符fd數組中的條目指向系統存儲file對象的表，file對象指向inode表中的條目。
五 心得體會
本學期Linux操作系統分析，通過在Linux內核上的一個簡單、虛擬、可編程的計算機硬件模擬環境mykernel上，我們編寫了一個簡單的操作系統內核、了解了操作系統內核核心功能及運行工作機；通過匯編指令觸發該系統調用，跟蹤系統調用的內核處理過程，系統調用入口的保存現場、恢復現場和系統調用返回以及內核堆棧狀態的變化；通過中斷上下文的切換分析了Linux系統的一般執行過程。通過這門課程，我發現編寫一個Linux內核並不困難，這使我對編程的學習又多了幾分信心。同時對Linux操作系統有了更深入的了解。希望老師在講課的時候可以再多介紹一些基礎知識，在做課程實驗的時候有些步驟零基礎的同學做起來還是有些困難。但是感覺老師門講課都很不錯，語言通俗易懂，適合零基礎同學入門學習。