浅析linux工作原理

Linux实验五

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    在Linux操作系统中，到最后我们会发现，我们一直围绕这进程、中断（伴随着有另外两个概念：用户态和内核态）这两个概念进行的，然后为了使这两者能够更加合情合理的运行，才衍生出来了诸多概念。那么我们来看看如何让Linux操作系统能够顺利运行起来呢？

    我觉得一个操作系统的发展有两种推动力：一是用户需求，二是用户体验。我们在探寻各种操作系统发展道路上无一看到了这两点。

1、在系统眼中的进程。每个进程都有自己的4G的逻辑地址空间（注意，在linux中3G-4G空间为系统保留）且都会有task_struct用来标识自己的信息，相当于我们所说的PCB块，里面最多的信息是各种指针信息。实际上由于task_struct本身对于内核栈来说是比较大的（内核栈大小为8K），系统会用thread_info结构指向task_struct。在Linux中并没有特别的概念来区分线程，也是用task_struct结构进行标识，仅仅是在一些标志位不同。

2、函数调用堆栈的实现。进程由大大小小的函数调用组成，Linux和windows一样是通过函数堆栈实现的（4G逻辑地址中，windows中2G-4G空间为系统保留），CPU通过cs:eip寻找到执行指令地址，然后指令通过ebp（指向堆栈底）,esp（指向堆栈顶）的变换操作堆栈。函数调用开始之后，压入并保存原来旧的ebp，调整ebp=esp，开辟新的函数堆栈空间，然后根据指令调整esp，和ebp值。具体实现过程详见我的另一篇实验博客：http://blog.csdn.net/zhaowenchaofang/article/details/8940349 。

3、中断分I/O中断、时钟中断和系统调用三种。CPU执行的操作是  a、当前eip esp 压入内核栈   b、把esp 指向内核栈，eip指向中断处理入口。我们会发现是否矛盾了呢？因为eip  esp是寄存器只能在一个时间点保存一个值，导致了上面两步是有矛盾的。实际上系统真正实现的过程中使用了一个TSS结构记录当前CPU状态来达到上面两个步骤的。所以上述两步可以理解为：a、先将esp指向内核栈，eip指向中断入口地址 b、把TSS中的eip esp压入内核栈。中断是可以嵌套的，且是有时机的。如果中断是从用户态进入到内核态，则系统会先使用save_all保存现场，进入内核态，处理中断程序，此后会继续调用schedule选择下一个进程，处理完之后会调用restore_all恢复现场并返回用户态。

4、中断上半部和下半部。之所以会有这个概念是因为并不是所有的中断处理都是紧急的，比如说一个网络信息传递过来，接受它是紧急的，但什么时候处理它并不紧急，系统就可以将处理信息的操作延后，从而让系统运行更加高效合理。如何区分上半部和下半部有以下几条规则：

a 如果一个任务对时间非常敏感，则将其放入中断处理程序中（即上半部）执行

b 如果一个任务和硬件相关，则放入上半部中。

c 如果一个任务保证不被其他中断打断，则放入上半部中。

d 其他放入下半部中

之后会有后续补充。

参考：《深入理解Linux内核》Daniel P.Bovet《LInux内核设计与实现》Robert Love