Linux简述
Linux指的是Linus Torvalds维护的（及通过主要镜像⽹站发 布的）内核。
Linux操作系统的体系架构分为用户态和内核态
用户态：CPU可以执行包括特权指令在内的所有指令，可以访问内存中的所有数据，包括外围设备，如硬盘、网卡等。
内核态：CPU能够执行有限范围内的指令，只能访问用户进程中的数据，且不能访问外围设备。
Linux系统一般由４个主要部分组成：内核、shell、文件系统和应用程序。
内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。
Linux内核主要有以下几个功能：
- 进程管理：保证各个进程能够合理地利用CPU资源完成自身任务。
- 内存管理：管理内存资源，使得内存被进程安全使用。
- 文件管理：通过文件系统来组织和管理在计算机中所存储的大量程序和数据。
- I/O设备管理：将鼠标、键盘等外设抽象为虚拟文件，Linux内核提供诸如open、write、read等接口函数对其统一管理。
一 进程管理
操作系统内核中最核心的功能是进程管理
进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态的概念。而程序是指令的有序集合，是一个静态的概念。
进程的上下文(context)包括进程的状态、有关变量和数据结构的值、机器寄存器的值和PCB以及有关程序、数据等。
进程管理的核心功能大致分为四类:控制，同步，通信，调度。内核通过 SCI 提供了一个应用程序编程接口（API）来创建一个新进程（fork、exec），停止进程（kill、exit），并在它们之间进行通信和同步（signal ）。
进程的状态大体上分为：可运行态、暂停态、等待态/等待态、僵死态。
当正在执行的进程由于某种原因要让出处理机时，系统要做进程上下文切换，以使另一个进程得以执行。
进程调度的时机:
- 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
Linux进程调度
Linux的进程调度是基于优先级的调度。Linux的进程分为普通进程和实时进程，在基于优先级的算法下实时进程的优先级高于普通进程。Linux中进程的优先级是动态的，调度程序周期性的调整他们的优先级，避免进程饥饿。调度策略：
SCHED_OTHER 非实时进程，基于优先级的轮转法
SCHED_FIFO 实时进程，基于先进先出算法
SCHED_RR 实时进程，基于优先权的轮转法
在可运行队列结构中，arrays数组的两个元素分别用来表示活动进程集合和过期进程集合，active和expired两个指针分别直接指向这两个集合。活动进程：处于可运行状态的进程，并且还没有用完他们的时间片，他们等待被运行。过期进程：处于可运行状态的进程，但已经用完了自己的时间片，在其他进程没有用完它们的时间片之前，他们不能再被运行。
二 中断处理
中断分外部中断（硬件中断）和内部中断（软件中断）。内部中断⼜称为异常（Exception），异常⼜分为故障（fault）和陷阱（trap）。中断（广义）会改变处理器执行指令的顺序，通常与CPU芯片内部或外部硬件电路产生的电信号相对应。中断是异步的：由硬件随机产生，在程序执行的任何时候可能出现；异常是同步的：在（特殊的或出错的）指令执行时由CPU控制单元产生。
系统调用作为一种特殊的中断，就是利⽤陷阱（trap）这种软件中断⽅式主动从⽤户态进⼊内核态的。
进程上下文是把系统提供给进程的处于动态变化的运行环境总和。
中断上下文它是一个内核控制路径，代表了中断发生时正在运行的进程执行。
中断的处理过程：
- 确定中断向量。
- 利用中断向量在IDT中找到对应中断门，在中断门中得到段选择符从而可以从GDT中找到中断服务例程的段基址。
- 确定中断发生的特权级合法（linux只有内核态和用户态两种特权级，此步用来检查中断程序的特权是否低于引起中断的程序的特权，低优先级程序不能引起高优先级程序）
- 检查是否发生特权级变化（用户态陷入内核态，这时候需要设置内核的堆栈），如果发生读取当前程序的tss段（通过tr寄存器读取）来选择新特权级的ss和esp指针，然后保存旧的ss和esp指针。
- 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。
- 在栈中保存eflags、cs和eip的内容。
- 如果异常产生一个硬件出错码，则将它保存在栈中。
- 装载cs和eip寄存器，其值分别是IDT表中第i项门描述符的段选择符和偏移量字段。这对寄存器值给出中断或者异常处理程序的第一条指定的逻辑地址
三、系统调用
Linux内核中设置了一组用于实现各种系统功能的子程序，称为系统调用。用户可以通过系统调用命令在自己的应用程序中调用它们。
系统调用和普通的函数调区别：
系统调用由操作系统核心提供，运行于核心态；
普通的函数调用由函数库或用户自己提供，运行于用户态;
使用系统调用：
进程是不能访问内核的。它不能访问内核所占内存空间也不能调用内核函数，但是系统调用可以。其原理是进程先用适当的值填充寄存器，然后调用一个特殊的指令，这个指令会跳到一个事先定义的内核中的一个位置。
进程可以跳转到的内核位置叫做sysem_call。这个过程检查系统调用号，这个号码告诉内核进程请求哪种服务。然后，它查看系统调用表(sys_call_table)找到所调用的内核函数入口地址。接着，就调用函数，等返回后，做一些系统检查，最后返回到进程（或到其他进程，如果这个进程时间用尽）。如果你希望读这段代码，它在<内核源码目录>/kernel/entry.S，Entry(system_call)的下一行。
四 文件系统
Linux为上层用户提供了一个统一的、抽象的界面来访问文件系统，实际的文件系统必须实现符合VFS标准的接口，才能与VFS协同工作。
- 每次open一个文件都会创建一个file对象，如果使用dup()或fork()则一个或多个进程file_sturct的fd_array条目可以指向同一个file对象；
- file对象中的f_op被设置成指向某个具体文件系统所系统的一组操作函数；
- file对象中还保存了文件的读写位置，并保存了指向该文件的inode指针，将inode串成双向链表构成系统inode表。
- 所以整体上是每个进程的文件描述符fd数组中的条目指向系统存储file对象的表，file对象指向inode表中的条目。
五 心得体会
本学期Linux操作系统分析，通过在Linux内核上的一个简单、虚拟、可编程的计算机硬件模拟环境mykernel上，我们编写了一个简单的操作系统内核、了解了操作系统内核核心功能及运行工作机；通过汇编指令触发该系统调用，跟踪系统调用的内核处理过程，系统调用入口的保存现场、恢复现场和系统调用返回以及内核堆栈状态的变化；通过中断上下文的切换分析了Linux系统的一般执行过程。通过这门课程，我发现编写一个Linux内核并不困难，这使我对编程的学习又多了几分信心。同时对Linux操作系统有了更深入的了解。希望老师在讲课的时候可以再多介绍一些基础知识，在做课程实验的时候有些步骤零基础的同学做起来还是有些困难。但是感觉老师门讲课都很不错，语言通俗易懂，适合零基础同学入门学习。