《深入理解Linux内核》 读书笔记

深入理解Linux内核 读书笔记

一、概论

操作系统基本概念

• 多用户系统
  • 允许多个用户登录系统，不同用户之间的有私有的空间
• 用户和组
  • 每个用于属于一个组，组的权限和其他人的权限，和拥有者的权限不一样。对应的是Linux的文件权限系统
• 进程
  • 和程序的区别。几个进程能并发执行同一个程序，一个进程能顺序执行几个程序
  • 程序更像是代码片段，进程是执行代码的容器
  • linux是抢占式操作系统，也就是一个进程只能占用CPU一段时间。非抢占式系统中，进程如果不释放CPU，可以一直占用
• 内核体系结构
  • Linux是单块内核，同时提供模块（module）功能
  • 模块是指：例如一个程序，引用了一个系统模块，这个系统模块不会是这个进程单独拥有，当其他程序也需要这个模块时，内核会把这个模块链接到其他程序。这样可以节省内存，也就是这个模块只会在内存中存在一份。模块就是一组函数，或者一段代码。

文件系统

• 文件
  • 文件是以字节序列组成的信息载体（container）
  • 文件目录是树结构
  • 每个进程都有一个工作目录，通过pwdx 进程ID 命令可以查看
• 硬链接和软连接
  • 链接类似window的快捷方式，创建一个文件，指向另一个文件
  • ln p1 p2 就是创建一个文件p2，指向p1
  • 硬链接只能指向文件，不能指向目录，因为会导致循环指向
  • 硬链接只能指向同一个文件系统的文件（文件系统是物理划分，例如不同硬盘）
  • 软链接没有硬链接这些限制，创建方法是加-s参数
• 文件类型
  • 普通文件
  • 目录
  • 符号链接
  • 面向块的设备文件
  • 面向字符的设备文件
  • 管道和命名管道(pipe named pipe)
  • 套接字（socket)
• 文件描述符与索引节点
  • 每个文件都有一个索引节点（inode）的数据结构，用来存储文件的描述信息，和文件的内容是区分开的。
    • inode有（通过ll命令看到的）：
      • 文件类型
      • 硬链接个数
      • 文件长度
      • 文件拥有者的uid
      • 用户组的id
      • 修改时间等
      • 访问权限
• 访问权限和文件模式
  • 拥有者，组，其他人，各有读写执行3种权限
• 文件操作
  • 打开文件
  • 读
  • 写
  • 移动光标
  • 关闭

Unix内核概述

• 进程/内核模式
  • 进程有用户态和内核态
  • 用户态不能访问内核的数据结构和内核程序
  • 两种态会经常切换，例如在时刻A，进程在用户态，在时刻B，进程在内核态
  • 从用户态切换到内核态的情况：
    • 调用系统调用
    • 执行进程的CPU发送异常
    • 外围设备向CPU发出中断
    • 内核线程被执行
• 进程
  • 每个进程有一个进程ID，pid
  • 内核切换执行的进程时，会保存旧进程的信息，包括：
    • 程序计数器和栈指针寄存器
    • 通用寄存器
    • 浮点寄存器
    • CPU状态
    • 内存管理寄存器
• 可重入内核
  • unix内核都是可重入的
  • 可重入是指，可以被重复进入，也就是可以同时有多个进程处于内核态
• 进程地址空间
  • 每个进程有自己私有的地址空间
• 同步和临界区
  • 类似锁
  • linux是抢占式内核，所以需要同步
  • 信号量
    • 每个资源都有一个信号量，类似int类型，初始值是1
    • 每个进程访问资源，调用down方法，信号量减1，如果减1后，信号量小于0，进程被加入到访问队列中。如果大于等于0，进程可以访问资源
    • 每个进程访问完资源，调用up方法，信号量加1，如果信号量大于等于0，激活访问队列的第一个进程
    • 进程锁，线程锁的机制，应该都是这样的
    • 这里要保证down和up的操作都是原子性的，不能并发
    • 要防止死锁
    • 锁里面的区域就是临界区，也就是acquire和release之间的代码
• 信号和进程间通信
  • 信号和信号量是不一样的
  • linux有20多种不同的信号，例如kill -9 中的 9就是一种信号
  • 进程收到信号后，可以
    • 忽略
    • 异步执行指定程序（新开一个线程？），这种需要事先定义信号处理函数。
  • 内核收到信号后，可以
    • 终止进程（例如kill - 9）
    • 忽略信号
    • 挂起进程
    • 恢复进程
  • 进程间通信（IPC）
    • 信号
    • 消息（msgget(),msgsnd())两个系统调用，发信息和收信息，Python里面的进程间Queue应该就是用这个实现的
    • 共享内存（shmget shmdt）两个系统调用
• 进程管理
  • fork来启动一个子进程，一般在启动的时候复制父进程的数据和代码，但是这样效率较低，所以会使用写时复制，也就是一开始父子进程共享内存，当其中一个进程需要修改数据时，才执行复制操作
  • exec用于启动子进程
  • exit用于结束子进程
  • wait4用于父进程等待子进程结束
• 内存管理
  • 虚拟内存，在物理内存（MMU）和程序之间的抽象，相当于访问内存的代理。
  • 内核内存分配器，KMA，用于管理内存
  • 高速缓存 由于内存比硬盘快很多，所以从硬盘读取得数据会缓存在内存，使下次可以快速访问