课程学习总结报告

1.进程管理

　概述：进程是Linux进行资源分配和调度的基本单位，进程也被看做是程序的一次执行过程，当持久化在磁盘上的二进制代码被载入内存时，Linux操作系统为其分配了用户栈和内核栈，同时使用task_struct这种数据结构对进程进行描述，task_struct是Linux操作系统感知进程存在的数据结构，具体描述了进程号，进程状态，进程的调度策略和调度信息，进程打开文件表，进程链表，父子进程的关系等信息。Linux根据这个数据结构找到进程对应的用户栈和内核栈，并根据cs,ip,ss,sp,ebp等寄存器信息，执行这个进程。

进程的状态以及状态之间的切换（如下图所示）

 需要注意的是，就绪态和运行态在系统中的状态都是TASK_RUNNING，也就是说，在Linux内核中，当进程是TASK_RUNNING状态时，它是可运⾏的，也就是就绪态，是否在运⾏取决于它有没有获得CPU的控制权，也就是说这个进程有没有在CPU中实际执⾏。如果在CPU中实际执⾏着，进程状态就是运⾏态；如果被内核调度出去了，在等待队列⾥就是就绪态。

进程创建

linux提供了几个系统调用来创建和终止进程：
fork,vfork,clone来创建新进程（最终都通过__do_fork)
exec执行一个新程序
exit来终止进程

调度时机

进程状态发生变化时

当前进程时间片用完时

进程从系统调用返回到用户态时

中断处理后，进程返回到用户态时

进程的上下文切换(如下图所示)

 2.系统调用

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 ；

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；

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)；

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。

3.中断管理

内核的一个主要功能就是处理硬件外设I/O，而cpu的速度比外设快很多，如果使用轮询方式与外设交互，显然会浪费许多cpu的资源，所以需要操作系统支持中断。

中断和异常的硬件处理

进入中断/异常

当cpu执行完一条指令后，会检查是否发生了中断或者异常。如果发生了中断或异常，则执行下列操作：

1. 确定与中断或者异常关联的向量i（0~255）
2. 读idtr寄存器指向的IDT表中的第i项
3. 从gdtr寄存器获得GDT的基地址，并在GDT中查找，以读取IDT表项中的段选择符所标识的段描述符
4. 比较程序的权限，确定中断是由授权的发生源发出
5. 检查是否发生了特权级的变化，如果是由用户态进入内核态，需要进程堆栈切换
6. 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
7. 在栈中保存eflags、cs和eip的内容
8. 如果异常产生一个硬件出错码，则将它保存在栈中
9. 装载cs和eip寄存器，其值分别是IDT表中第i项描述符的段选择符和偏移量字段。

此时，进程的内核堆栈如下图所示：

 

 中断服务程序占用的是被中断进程的内核栈，因此在中断服务程序正式执行之前，还需要将硬件没有自动入栈的一些通用寄存器进行手动入栈，其顺序与pt_regs结构相对应。

从中断/异常返回

中断/异常处理完后，相应的处理程序会执行一条iret汇编指令，这条汇编指令让CPU控制单元做如下事情:

1. 用保存在栈中的值装载cs、eip和eflags寄存器。如果一个硬件出错码曾被压入栈中，那么弹出这个硬件出错码
2. 检查处理程序的特权级是否等于cs中最低两位的值(这意味着进程在被中断的时候是运行在内核态还是用户态)。若是，iret终止执行；否则，转入3
3. 从栈中装载ss和esp寄存器。这步意味着返回到与旧特权级相关的栈
4. 检查ds、es、fs和gs段寄存器的内容，如果其中一个寄存器包含的选择符是一个段描述符，并且特权级比当前特权级高，则清除相应的寄存器。这么做是防止怀有恶意的用户程序利用这些寄存器访问内核空

中断处理

主要流程

1. 在内核态堆栈保存IRQ的值和寄存器的内容
2. 为正在给IRQ线服务的PIC发送一个应答，这将允许PIC进一步发出中断
3. 调用do_IRQ()，执行共享这个IRQ的所有设备的中断服务例程
4. 跳到ret_from_intr()的地址后中断跳出

 do_IRQ()根据中断向量号i找到对应的中断描述符，将注册到本中断的各个设备的irqaction都执行一遍。

4.文件系统

VFS

VFS是一个软件层，用来处理与Unix标准文件系统相关的所有系统调用，能为各种文件系统提供一个通用的、统一的接口。对于用户而言，不再需要自己针对每个不同的文件系统执行不同的操作命令，只需要用统一的open eadwrite等操作。

VFS与具体文件系统的关系如下图所示，它向上提供统一的接口，向下兼容各种不同的文件系统。

 

文件系统的结构包括在磁盘上的结构和在内存中的结构。磁盘上包括引导控制块、盘控制块、目录结构、FCB。在内存中包括：

• 系统打开文件表：包含每个已打开文件的FCB的副本，以及其他信息。
• 进程打开文件表：包含一个指向系统打开文件表相应项的指针，以及其他信息。

示例一：读文件：

1. 进程调用库函数read向内核发起读文件请求

2. 触发系统调用sys_read()，获得当前进程的控制块

3. 系统调用read()会触发相应的VFS的read()函数

4. 然后找到file结构，再找到fd数组，以fd为索引找到对应项，然后找到系统打开文件表

5. 执行系统打开文件表里面的file operation里面的read

此处有个点需要注意：为什么read之前要先open呢？因为这个系统打开文件表是open创建的。