linux操作系统复习.pdf-资料库

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UNIX系统的特点： 1. 简洁：仅有几百个系统调用，其他操作系统往往几千个 2. 所有的东西都被当做文件对待，这种抽象可以将数据和对设备的操作通过一套相同的系统调用接口来进行：open(),read(),write(),lseek(),close() 3. Unix内核和相关系统工具软件是由C语言编写===>在各种硬件系统架构中有很好的移植能力 4. unix进程创建十分迅速，提供了一个十分独特的fork()系统调用 5. 提供了一套十分简单又十分稳定的进程间通信元语 6. 采用了策略与机制分离的理念，unix系统具备清晰的层次化结构 linux系统：基础：内核、c库、工具集、如登录程序、shell等系统的基本工具内核的功能：管理硬件设备、分配系统资源等内核由以下几大部分组成：名称中断服务程序调度程序内存管理程序系统服务程序功能负责响应中断负责管理多个进程并分配处理器时间负责管理进程地址空间网络、进程间通信等用户空间：普通应用程序所在的空间内核空间：系统态和被保护起来的内存空间内核空间由内核子系统、设备驱动程序和系统调用接口组成。与内核通信：应用程序与内核通信：应用程序通过系统调用陷入内核硬件设备与内核通信：中断机制处理器活动状态： state1 运行于用户空间，执行用户进程 state2 运行于内核空间，处于进程上下文，代表某个特定的进程执行 state3 运行于内核空间，处于中断上下文，与任何进程无关，处理某个特定的中断 linux内核：单内核，但是支持动态加载内核模块、支持抢占(微内核的优点)

linux内核与unix内核的比较： linux支持动态的加载内核模块，在需要时可以动态卸载和加载内核代码 linux支持对称多处理机制（SMP） linux内核可以抢占，允许任务优先级 linux内核不区分线程与其他一般进程 linux提供具有设备类的面向对象的设备模型、热插拔事件以及用户空间的设备文件系统 26. 1 修订版本号稳定版本号（可选） linux内核版本：比如2.6.26.1 2. 主版本号 6. 从版本号：偶数代表稳定版本，奇数代表开发版本内核开发的特点： feature1 内核编程时不能访问C库与标准的头文件 feature2 内核编程必须使用GUN C feature3 内核编程无用户空间那样的内存保护机制 feature4 内核编程时很难执行浮点运算 feature5 内核给每个进程只有很小的内核堆栈 feature6 注意同步与并发进程管理：进程线程处于执行期的程序以及相关资源的总称，由唯一的进程标识符PID来标识进程提供的虚拟机制虚拟内存 and 虚拟处理器进程描述符包含一个具体进程的所有信息：打开的文件、进程的地址空间、挂起的信号、进程的状态等任务队列一个双向循环链表，进程描述符存放在其中进程的状态进程上下文运行；准备；等待---睡眠；停止； state域的5种取值：运行；可中断；不可中断；被其他进程跟踪；停止；一个程序调用了系统调用或者触发了某个异常，陷入内核空间，称内核代

表进程执行并处于进程上下文解释：一个进程在执行的时候，CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈上的内容，当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的进程上下文，以便再次执行该进程时，能够恢复切换时的状态，继续执行推迟甚至免除copy的技术，资源的复制只在需要写入的时候才进行，之前就只是以只读的方式共享 fork()函数通过拷贝当前进程创建一个子进程，然后exec()函数产生新的地址空间，然后读取可执行文件并将其载入地址空间开始运行 fork()函数在调用clone系统调用时需要传递一些参数标志来指明需要共享的资源写时拷贝进程创建的方法线程创建的方法进程调度： I/O消耗型进程进程大部分时间用来提交I/O请求或等待I/O请求-------例如GUI--I/O密集型处理器消耗型进程进程把大部分时间用来执行代码调度策略平衡进程响应迅速与最大系统利用率之间寻求平衡进程优先级 CFS调度算法 CFS使用RB-tree 两种优先级范围： nice值：-20--19，nice值越大优先级越低实时优先级：0--99，值越大，优先级越高允许每个进程运行一段时间、循环轮转、选择运行最少的进程作为下一个运行进程，而不再采用给每个进程分配时间片的做法。解释： CFS调度器的抢占时机取决于新的可运行程序消耗了多少处理器使用比，如果消耗的使用比比当前进程小，则新进程立刻投入运行，抢占当前进程，否则推迟运行。 CFS使用红黑树来组织可运行进程队列，利用红黑树这种自平衡二叉搜索树的性质来迅速找到最小vruntime的进程方式：运行RB-tree中最左边叶子结点所代表的那个进程系统调用：系统调用的作用 1、为用户空间提供了一种硬件的抽象接口系统调用号系统调用的实现调用系统调用 2、系统调用保证了系统的稳定和安全系统调用号独一无二，已经分配，不能变更，即使系统调用被删除，系统调用号也不允许被回收 1、编写系统调用函数 2、将其函数声明添加到系统调用头文件中 3、在系统调用表中加入其的系统调用号 4、将新建的系统调用编译进内核 1、编写调用的系统调用函数，添加上标准头文件、C库链接 2、编译运行调用函数当一个进程在执行时 , C P U 的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容被称为该进程的上下文

调用系统调用 2、编译运行调用函数 3、使用dmesg查看日志内核数据结构：链表队列映射红黑树如何选择合适的数据结构 1、存放和操作可变数量元素(节点)的数据结构 2、无须连续内存区域，从链表中增加或删除节点只需要调整一下指向下一节点的指针即可 3、节点由数据域和指针域组成 1、实现生产者和消费者模型的数据结构 2、数据元素先入先出，主要有2个操作：入队列和出队列 1、关联数组，一个由唯一键组成的集合，每个键必然关联一个特定的值 2、主要是映射一个唯一的标识数（UID）到一个指针 1、一种自平衡二叉搜索树 2、最深的叶子结点的深度不会大于最浅叶子结点深度的2倍 3、在插入和删除节点的时候永远维持半平衡树链表：对数据集合的主要操作是遍历数据；存储较少数据项；与内核中其他使用链表的代码交互时；队列：符合生产者消费者模式；定长缓冲；映射：映射一个UID到对象；红黑树：存储大量数据，并且需要检索迅速算法的复杂度大O:上限大Q:既是上限也是下限中断和中断处理程序：中断设备向处理器发送异步的电信号，打断处理器的执行，进而打断内核的执行，从而与系统通信中断响应过程设备产生中断，将中断发送给中断控制器，如果中断线是激活的，中断会被发送到处理器，如果处理器未禁止该中断，处理器会中断内核，然后开始执行中断处理程序中断上下文硬件通过触发信号，导致内核调用中断处理程序，进入内核空间。这个过程中，硬件的一些变量和参数也要传递给内核，内核通过这些参数进行中断处理中断会打断内核中进程的正常调度运行，所以要求中断服务程序尽可能的短小精悍既由于我们既希望中断处理程序运行快，又希望中断处理程序完成的任务量多，出现了上下半部机制。上下半部的来源中断上半部处理紧急功能，关中断执行中断下半部处理允许稍后完成的功能，开中断执行中断注册过程 1、使用request_irq()函数注册中断处理程序，激活中断线 2、irq -分配中断号 3、handler-指向处理中断的实际中断处理程序 4、设置中断处理程序标志下半部与退后执行的工作：下半部的任务执行与中断处理密切相关但中断处理程序本身不执行的工作软中断 tasklet 一组静态定义的下半部接口，32个，可以在所有处理器上同时执行，两个类型一样的软中断也行允许响应中断，不能休眠软中断之间不会相互抢占，只有中断处理程序会抢占软中断基于软中断实现的灵活性强、动态创建的下半部实现机制

两个不同类型的tasklet可以在不同的处理器上执行，相同类型的tasklet不可以由内核线程实现，一个用户创建内核线程的接口，通过它创建的进程负责执行由内核其他部分排到队列里的任务允许重新调度甚至睡眠将工作推后交给内核线程去执行——整个过程是在进程上下文中执行软中断：代码本身多线索化工作做得很好，完全使用单处理器变量 tasklet：不需要睡眠，代码对线索化工作考虑不充分工作队列：易于使用；需要睡眠；工作队列下半部机制的选择 3种下半部机制的比较：下半部软中断 tasklet 工作队列内核同步：临界资源的定义上下文中断中断进程顺序执行保障没有同类型不能同时执行没有，和上下文一样被调度一次仅允许一个进程使用的共享资源临界区的定义每个进程中访问和操作临界资源的那段代码竞争条件当多个进程都企图对共享数据进行某种处理，而最后的结果又取决于进程进行的顺序时，我们认为发生了竞争条件避免并发和防止竞争条件同步（加锁）的意义死锁的概念一个或多个执行线程和一个或多个资源，每个线程都在等待其中的一个资源，但是所有资源都已经被占用内核同步的方法：原子操作自旋锁保证指令以原子的方式执行，执行过程不被打断原子整数操作 and 原子位操作 1、一个自旋锁只能被一个线程持有，如果有其他线程想要获得一个被持有的自旋锁，那么该线程将会一直进行忙循环-旋转，等待锁重新可用 2、自旋：十分浪费处理器时间，所以自旋锁不应该被持有，一般自旋时间小于两次上下文切换用时 3、自旋锁不可以递归 4、不对临界区进行区分 5、应用：加锁时间不长且代码不会睡眠读写自旋锁顺序锁 1、读者锁：一个或多个读任务可以并发持有读者锁 2、写者锁：只能被一个写任务持有，且不能有并发的读操作 3、对临界区进程读写区分 4、适用于：读或写/消费者与生产者类型；读进程多于写进程对某一个共享数据读取的时候不加锁，写的时候加锁。同时为了保证读取的过程中因为写进程修改了共享区的数据，导致读进程读取数据错误。在读取者和写入者之间引入了一个整形变量sequence，读取者在读取之前读取sequence, 读取之后再次读取

此值，如果不相同，则说明本次读取操作过程中数据发生了更新，需要重新读取。而对于写进程在写入数据的时候就需要更新sequence的值。应用场景： 1、数据读取多，写入少 2、希望写进程优先于读进程，而且不允许读进程让写进程饥饿 3、数据结构简单 1、一种睡眠锁，一个任务试图获得一个不可用的信号量时，信号量会将其推进到一个等待队列，然后让其睡眠 2、特点：适用于锁被长时间持有的情况；只能在进程上下文中获得信号量锁；占用信号量的同时不能占用自旋锁 3、计数信号量（允许多个任务持有锁） and 二值信号量（仅允许一个任务持有锁，类似自旋锁） 1、实现互斥的特定睡眠锁，是一种互斥信号 2、上锁者自己负责解锁 3、不允许递归上锁和解锁 4、进程持有一个mutex不允许退出 5、mutex不可以被copy、手动初始化或重复初始化自旋锁：低开销加锁；短期锁定；中断上下文加锁；互斥体：长期加锁；持有锁需要睡眠信号量互斥体mutex 自旋锁与互斥体的区别与应用

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