剖析Linux操作系统01：基本概述-优快云博客

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学习目录

1. Linux学习路径

2. Linux内核体系结构

3. 系统调用简介

3.1 系统调用分类简介

3.1.1 进程管理

3.1.2 内存管理

3.1.3 文件管理

3.1.4 信号处理

3.1.5 进程间通信

3.1.6 网络通信

3.2 系统调用与Glibc

1. Linux学习路径

2. Linux内核体系结构

说明1：统一的服务提供方式

① 从服务使用者的角度，应用程序只能通过系统调用的方式使用Linux内核提供的服务

② 从服务提供者的角度，Linux内核各子系统提供不同的系统调用供用户使用，示例如下

说明2：注意内核子系统之间的关系，例如，

① 进程管理子系统需要内存管理子系统分配内存

② 文件子系统屏蔽各种设备的差异，向用户提供统一的系统调用接口

3. 系统调用简介
3.1 系统调用分类简介
3.1.1 进程管理

说明：先拷贝再修改的策略

① 在Linux中，要创建一个新的进程，需要一个老的进程调用fork来实现，其中老的进程叫做父进程，新的进程叫做子进程
② 当父进程调用fork创建进程的时候，子进程将各个子系统为父进程创建的数据结构全部拷贝一份，甚至连程序代码也拷贝过来

然后fork系统调用在父进程和子进程中返回不同的值，父进程中返回子进程PID；子进程中返回0，以此作为区分

如果是父进程则接着做原来的工作；如果是子进程则调用execve系统调用来执行另一个程序，此时子进程和父进程就彻底分道扬镳了，也即产生了一个分支（fork）

③ Linux启动时会创建一个所有用户进程的祖宗进程，这也是系统中唯一一个没有通过fork或kernel_thread创建的线程
④ 父进程可以使用waitpid系统调用获取子进程是否运行完成及其完成状态

3.1.2 内存管理

说明1：每个进程都有自己的进程内存空间，相互之间不干扰
说明2：进程内存空间分段

代码段 / 数据段 / 栈 / 堆

说明3：实际分配物理内存的时机

进程虚拟内存空间是很大的，32位CPU为4GB（64位CPU则更大），但是物理内存实际可能没有这么多

所以只有进程要去使用内存的时候，才会使用内存管理的系统调用来登记，说明自己马上要使用内存，希望操作系统分配一部分内存给他。但是这并不代表真的就对应到物理内存，只有真正写入数据时，发现没有对应的物理内存，才会触发一个中断，实际分配物理内存

说明4：brk & mmap系统调用

① 这2个系统调用用于在堆中分配内存

② 当分配的内存数量较小时，使用brk系统调用，会和原来的堆数据连在一起

③ 当分配的内存数量比较大时，使用mmap系统调用，会重新划分一片区域

3.1.3 文件管理

说明1：文件保存的要点：介质与格式
说明2：文件操作：创建、打开、关闭、读写
说明3：Linux中一切皆文件

文件打开后，Linux会分配一个文件描述符（File Descriptor），这是一个整数，后续的文件系统调用均需要该文件描述符

一切皆文件的优势，就是统一了操作入口

3.1.4 信号处理
说明1：信号处理用于处理异常情况

说明2：常见信号

① <ctrl> + c发送SIGINT信号

② 非法内存访问

③ 硬件故障

④ 用户进程调用kill函数向另一个进程发送信号

说明3：信号的不同处理方式

① 忽略

② 默认方式

③ signal / sigaction注册handler

注意：有些信号是不能忽略的，比如SIGKILL / SIGSTOP

3.1.5 进程间通信
说明1：消息队列

① 适合交互一段不是很长的数据

② 消息队列在内核中

说明2：共享内存

① 适合交互一段很长的数据

② 共享内存本身不提供同步机制

说明3：信号量

提供互斥与同步机制
3.1.6 网络通信
说明1：网络服务通过套接字socket提供服务
说明2：socket的名字可以理解为"插口"或"插槽"，可以想象一根网线一端插在客户端，一端插在服务端
说明3：可以通过socket系统调用建立一个socket，socket也是一个文件，也有一个文件描述符，也可以通过读写函数进行通信
补充：查看源码中的系统调用

Linux内核提供的系统调用包含在include/linux/unistd.h中，该文件只有一行，用于包含基于架构的实际头文件

在ARM32架构中，实际包含的是arch/arm/include/asm/unistd.h文件

3.2 系统调用与Glibc
① Glibc是Linux下使用的开源的标准C库，是由GNU发布的libc库
② Glibc为程序员提供了丰富的API，除了例如字符串处理、数学运算等用户态服务之外，最重要的是封装了操作系统提供的系统服务，即系统调用的封装
③ 每个特定的系统调用对应至少一个Glibc封装的函数

e.g. 打开文件的系统调用sys_open对应的是Glibc中的open函数
④ 有些API可能调用多个系统调用

e.g. Glibc提供的printf函数会调用sys_open、sys_mmap、sys_write、sys_close等系统调用
⑤ 有时候多个API也可能对应同一个系统调用

e.g. Glibc下实现的malloc、calloc、free等函数用来分配和释放内存，都利用了内核的sys_brk系统调用
说明：strace命令可以用来跟踪进程执行时使用的系统调用和接收的信号