课程学习总结报告

计算机有"三大法宝",分别是存储程序计算机,函数调用堆栈和中断.

存储程序计算机：

冯·诺依曼（VonNeumann）体系结构，它是⼏乎所有计算机平台的基础，现代计算机⼏乎都是基于冯·诺依曼体系结构。

存储程序计算机的主要思想是将程序存放在计算机存储器中，然后按存储器中的存储程序的⾸地址，执⾏程序的第⼀条指令，以后就按照该程序中编写好的指令执⾏，直⾄程序执⾏结束。

我们可以把CPU看成一个循环，一直不断从内存⾥取下⼀条指令来执⾏。内存保存指令和数据，CPU负责解释执⾏指令，它们通过总线连接起来。

 

  

函数调用堆栈：

函数调用指令call执行时，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，即返回地址被压入栈。然后将eip设置为指定为要调用的操作数的地址，并从该地址继续执行。

调用函数执行完毕，函数返回指令ret执行（不占用任何操作数），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，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。返回调用前上下文。

 

  

中断：

为了处理是处理硬件外设I/O，有了中断机制这个东西。

中断分外部中断（硬件中断）和内部中断（软件中断）。内部中断⼜称为异常（Exception），异常⼜分为故障（fault）和陷阱（trap）。中断（广义）会改变处理器执行指令的顺序，通常与CPU芯片内部或外部硬件电路产生的电信号相对应。中断是异步的：由硬件随机产生，在程序执行的任何时候可能出现；异常是同步的：在（特殊的或出错的）指令执行时由CPU控制单元产生。

系统调用作为一种特殊的中断，就是利⽤陷阱（trap）这种软件中断⽅式主动从⽤户态进⼊内核态的。

此时就不得不牵扯到操作系统的“两把宝剑”进程上下文和中断上下⽂。

进程上下文是把系统提供给进程的处于动态变化的运行环境总和。

中断上下文它是一个内核控制路径，代表了中断发生时正在运行的进程执行。

中断的处理过程：

1. 确定中断向量。
2. 利用中断向量在IDT中找到对应中断门，在中断门中得到段选择符从而可以从GDT中找到中断服务例程的段基址。
3. 确定中断发生的特权级合法（linux只有内核态和用户态两种特权级，此步用来检查中断程序的特权是否低于引起中断的程序的特权，低优先级程序不能引起高优先级程序）
4. 检查是否发生特权级变化（用户态陷入内核态，这时候需要设置内核的堆栈），如果发生读取当前程序的tss段（通过tr寄存器读取）来选择新特权级的ss和esp指针，然后保存旧的ss和esp指针。
5. 若发生的是故障，用引起异常的指令地址修改cs和eip寄存器的值，以使得这条指令在异常处理结束后能被再次执行。
6. 在栈中保存eflags、cs和eip的内容。
7. 如果异常产生一个硬件出错码，则将它保存在栈中。
8. 装载cs和eip寄存器，其值分别是IDT表中第i项门描述符的段选择符和偏移量字段。这对寄存器值给出中断或者异常处理程序的第一条指定的逻辑地址。

 

  

 进程的切换：

一个进程的上下文(context)包括进程的状态、有关变量和数据结构的值、机器寄存器的值和PCB以及有关程序、数据等。

一个进程的执行是在进程的上下文中执行。

当正在执行的进程由于某种原因要让出处理机时，系统要做进程上下文切换，以使另一个进程得以执行。

当进行上下文切换时系统要首先检查是否允许做上下文切换(在有些情况下，上下文切换是不允许的，例如系统正在执行某个不允许中断的原语时)。然后，系统要保留有关被切换进程的足够信息，以便以后切换回该进程时，顺利恢复该进程的执行。在系统保留了CPU现场之后，调度程序选择一个新的处于就绪状态的进程、并装配该进程的上下文，使CPU的控制权掌握在被选中进程手中。

系统调用的过程：

 

  

1. 应用程序 代码调用系统调用( xyz )，该函数是一个包装系统调用的 库函数 ；
2. 库函数 ( xyz )负责准备向内核传递的参数，并触发 软中断 以切换到内核；
3. CPU 被 软中断 打断后，执行 中断处理函数 ，即 系统调用处理函数 ( system_call)；
4. 系统调用处理函数 调用 系统调用服务例程 ( sys_xyz )，真正开始处理该系统调用。

VFS虚拟文件系统：

虚拟文件系统（Virtual File System, 简称 VFS）， 是 Linux 内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口；同时，它也提供了内核中的一个 抽象功能，允许不同的文件系统共存。系统中所有的文件系统不但依赖 VFS 共存，而且也依靠 VFS 协同工作。

为了能够支持各种实际文件系统，VFS 定义了所有文件系统都支持的基本的、概念上的接口和数据 结构；同时实际文件系统也提供 VFS 所期望的抽象接口和数据结构，将自身的诸如文件、目录等概念在形式 上与VFS的定义保持一致。换句话说，一个实际的文件系统想要被 Linux 支持，就必须提供一个符合VFS标准 的接口，才能与 VFS 协同工作。实际文件系统在统一的接口和数据结构下隐藏了具体的实现细节，所以在VFS 层和内核的其他部分看来，所有文件系统都是相同的。

课程感受：

建议倒是不敢说，感受还是有一些的，首先非常感谢孟老师和李老师的认真教导，都是很负责的老师，疫情上网课对老师和同学都是不小的考验，上课时候老师一遍遍问同学听明白了吗真的很感动，没想到读研老师还可以这么认真负责，linux操作系统虽然后有意思，但是linux内核的确比较枯燥和困难，老师想讲的引人入胜也是非常困难的，个人也是能力有限，只能学懂里面的一部分。

整体来讲，俩位老师讲解内容搭配还是很适合同学的，理解linux系统内核对一个优秀软件工程的学生几乎是必须的，以后有机会，应该继续深入钻研。

最后，再次两位老师的教导和助教老师背后的帮助。