Linux课程学习总结报告

精简的Linux系统概念模型

在Linux系统分析这门课中，我们主要学习了中断&异常，时钟，进程管理，系统调用，驱动程序，文件系统，内核根文件挂载等方面的内容。

一、中断&异常

一次中断的过程：

　　1. 中断控制器会监视IRQ 中断信号。将信号转换成具体的中断向量，传到CPU的INTR引脚。（与Linux设备关系）

　　2. CPU会在运行下一条指令之前。检查是否发生中断。

　　3. 如果有中断的话CPU应答中断时会去查找对应的中断服务例程。确定其是否合法。

　　4. 若合法则进行中断处理。首先在内核栈中保存以前的ss和esp值，装载新的ss和esp寄存器。

　　5. 保存eflags、cs和eip的值。

　　6. 中断处理

　　7. 中断、异常处理完后，产生iret指令。

　　8. 装载cs、eip、eflags。返回到用户态。或者如果有中断嵌套的话。返回到上一个中断嵌套。 

二、Linux时钟

主要用于时间片的计时，进程运行时间，和操作系统的墙上时间。

• 实时时钟 RTC：独立于CPU，单独供电，IRQ周期性中断 
• 时间戳计数器 TSC  （最精确）
• 可编程间隔定时器 PIT    （可编程中断）

Linux在启动时首先会去读RTC，RTC是存储在单独的一个结构里，有单独的供电。在系统关闭的情况下，也在进行计时。

Linux启动过程中会注册时钟源。根据优先级来选择具体的时钟源，优先级为（pit、tsc）

• 相对时间：记录从系统启动到当前时刻，系统产生的滴答数
• 墙上时间：系统当前时间（xtime）该变量记录了现实世界中的年月日 格式的时间 

三、进程管理和调度

• 创建：clone，fork，vfork
• 执行：exec 
• 终止：exit 

fork完全复制，clone选择性复制，exec执行新的进程

进程的创建

其中，init_task为第⼀个进程（0号进程）的进程描述符结构体变量，它的初始化是通过硬编码方式固定下来的。

除此之外，所有其他进程的初始化都是通过do_fork复制父进程的⽅式初始化的。

　　1号和2号进程的创建是start_kernel初始化到最后由rest_ init通过kernel_thread创建了两个内核线程：

• kernel_init，最终把⽤户态的进程init给启动起来，是所有用户进程的祖先；
• kthreadd内核线程，kthreadd内核线程是所有内核线程的祖先，负责管理所有内核线程。

execve与fork的区别与联系？

• fork和其他系统调⽤不同之处是它在陷⼊内核态之后有两次返回，第⼀次返回到原来的⽗进程的位 置继续向下执⾏，这和其他的系统调⽤是⼀样的。在⼦进程中fork也返回了⼀次，会返回到⼀个特定的点 ——ret_from_fork，通过内核构造的堆栈环境，它可以正常系统调⽤返回到⽤户态。
• 当前的可执⾏程序在执⾏，执⾏到execve系统调⽤时陷⼊内核态，在内核里面用do_execve加载可执行文件，把当前进程的可执行程序给覆盖掉。当execve系统调⽤返回时，返回的已经不是原来的那个可执⾏程序了，⽽是新的可执⾏程序。

四、系统调用过程

 

　　1. 程序运行过程中使用了某个C库函数，触发int $0x80或者syscall产生了系统调用

　　2. entry_SYSCALL_64/32，swags操作，保存现场

　　3. 调用do_syscall_64，在syscall_table中查找具体的系统调用

　　4. 执行

　　5. 恢复现场

五、设备驱动程序

Linux具有一切皆文件的特性，所以其实，设备驱动是依赖于Linux文件系统来注册的。

Linux使用设备号来标识设备文件。

设备会注册到IRQ中，会产生中断信号给中断控制器。

Linux设备

• 字符设备
• 块设备
• 网络设备

磁盘结构

• 引导控制块
• 盘控制块（超级快）
• FCB（文件控制块）
• 目录结构

linux对设备的访问是通过对文件的操作来实现的，

访问设备需要：驱动程序+设备文件

在驱动程序中主要完成以下工作：

　　1）获取并注册设备号

　　2）新建、初始化并添加cdev结构体

　　3）进行其他初始化

对于设备文件来说：

　　1）根据设备号，创建设备文件

　　2）创建完成就可以open了，open后返回fd，利用fd进行readwrite等操作

六、文件系统

虚拟文件系统（VFS）

• 向上，对应用层 (的System Call) 提供一个标准的文件操作接口 (如read/write)；
• 对下，对文件系统提供一个标准的接口，兼容多种文件系统可以方便的移植到Linux上；

当进程要读某个文件时，进行系统调用read，产生一个中断INT80，对应第120个中断向量，找到中断处理程序，带上系统调用号。访问文件系统中的文件。

fd数组（文件描述符）

0 1 2 分别是：标志输入，标准输出，标准错误

打开文件的过程

• 根据给定的文件路径名搜索目录结构
• 文件的FCB复制到内存里的系统打开文件表（还有文件计数）里
• 在进程打开文件表里创建一个指针字段，指向系统打开文件表里相应的表项
• 打开文件系统调用返回指向进程打开文件表的指针，文件的操作以后都通过这个指针

七、根文件系统挂载mount

挂载前，向VFS注册，填写文件系统注册表数据结构file_system_type
安装根文件系统

• 安装rootfs虚拟单文件系统，该文件系统仅提供一个作为初始安装点的空目录 init_mount_tree
• 内核在空目录上安装实际根文件系统，替换rootfs

initrd的两种格式：

• 传统 -image-initrd
• cpio格式

八、进程地址空间

函数调用堆栈：

当执行调用 call 时，堆栈指针esp 递减4个字节（32位），

并且调用后的指令地址（返回地址）被写入现在由esp引用的存储器位置，

换句话说，返回地址被压入栈。

然后将 指令指针eip 设置指定为要调用的操作数的地址，并从该地址继续执行。

ret 恰恰相反。简单的ret不会占用任何操作数。

处理器首先从esp中包含的内存地址中读取值，然后将esp增加4个字节，它会从堆栈中弹出返回地址。

eip设置为此值，并从该地址继续执行。

当函数调用发生时，进程地址空间中栈帧的变化：

首先，把函数调用的参数压栈，然后eip（返回地址）压栈，ebp（栈底）压栈。

接下来，更新ebp的值为esp的值（栈对齐），

将esp减少一个特定的值（与调用函数内部申请空间相关），为调用函数获取一定的栈空间。

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举例验证模型——“扫地机器人”

在Linux中，扫地机器人 这个外设被看成是一个设备文件。Linux系统通过打开这个文件，对它进行read() write() 操作，从而转化成设备驱动程序对设备的操作。

1. 程序运行，尝试读取文件，触发read系统调用，中断，进入内核态
2. 保存中断上下文，进入中断处理函数
3. 到达VFS层次，sys_read()会根据fd在进程打开文件表中找到相应的系统打开文件表
4. 返回文件描述符
5. 恢复中断上下文
6. 此后，用户通过文件描述符对设备文件进行的读写操作，会通过VFS的sys_read，sys_write，等函数，转化为对设备的操作

这样，Linux系统就通过对文件的简单读写，完成了对外设的操作，如下图：

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心得体会&改进建议

孟老师的班级博客模式很好，很利于同学之间互相帮助、互相学习。做实验不会的时候有参考很重要，不然容易卡住。而且期末复习的时候有参考，很利于学习总结。我个人写技术博客也是从孟老师带着进入博客园开始的。

李老师上课很认真、很充实、很硬核。建议是: 平时布置一些作业，方便加深对上课内容的理解，更加透彻地学习。还有建议以后上课时候，语速放慢一些，不然不容易跟上讲课的节奏。

经过本次课程的学习，更加深入理解Linux内核的原理以及实践。以前对于Linux可能更多的是在操作系统的理论层次，这次亲身体验了Linux的具体实验流程，包括深入系统内核调用，对操作系统如何运行有了更深的理解。