操作系统的核心--内核

操作系统含义

1. 指完整的软件包，这包括用来管理计算机资源的核心层软件，以及附带的所有标准软件工具
2. 指管理和分配计算机资源（CPU、RAM和设备）的核心层软件

内核的职责

• 进程调度：调度中央处理单元以执行程序指令；Linux为抢占式多任务操作系统————“抢占”指的是一组规则，这组规则控制着哪些进程可以使用，使用多长时间，这两个操作都由内核进程调度控制
• 内存管理：Linux使用虚拟内存管理机制：
  1. 进程与进程、进程与内核之间相互隔离
  2. 只需要将一部分进程保持在内存中
• 提供了文件系统：创建、获取、更新以及删除
• 创建和终止进程
• 对设备的访问：为程序访问设备提供了简化的标准接口，仲裁多个进程对每一个设备的访问
• 联网：内核以用户进程名义收发网络消息（数据包）
• 提供系统调用应用编程接口（API）：进程可利用内核入口点（系统调用）请求内核去执行任务

内核态和用户态

• 执行硬件指令可使CPU在两种状态来回切换
• 用户态时，CPU只能访问被标记为用户空间的内存
• 核心态时，CPU都能访问

以进程和内核视角检视系统

shell

shell是一种具有特殊用途的程序，主要用于读取用户输入的命令，并执行相关的程序来相应命令

用户和组

用户

• 系统的每个用户都有唯一的登录名和与之相对应的整数型ID
• /etc/passwd（系统密码文件）为每个用户都定义一行记录，除了两项信息外，还包含以下信息
  1. 组ID：用户所属第一个组的整数型组ID
  2. 主目录：用户登录后所居于的初始目录
  3. 登录shell：执行以解释用户命令的程序名称

组

• /etc/group
• 组名、组ID、用户列表

超级用户

• ID：0
• 登录名：root

单根目录层级、目录、链接和文件

内核维护着一套单根目录结构，以存放系统的所有文件

• 这一目录层级的根基就是**“/”**的根目录
• 所有的文件和目录都是根目录的“子孙”

文件类型

路径和链接

• 每条目录至少包含.和..
• 前者指向目录自身的链接
• 后者指向上一级的链接
• 对于根目录而言，..是指向根目录本身的链接

符号链接

• 空链接和软链接

文件名

• 最长255个字符

路径名

• 绝对路径：以“/”开始
• 相对路径：相对于进程当前工作目录的文件位置

文件I/O模型

程序

过滤器

从stdin输入，加以转换，输出到stdout

命令行参数

• 要访问命令行参数，程序的main函数需要：int main(int argc,char *argv[])
• argc变量包含命令行参数的总个数，argv指针数组的成员指针逐一指向每个命令行串
• 首个字符串argv[0]，标识程序名本身

进程

进程是正在执行的程序实例，执行程序时，内核会将程序代码载入虚拟内存，为程序变量分配空间，建立内核记账数据结构，以记录与进程相关的各种信息

进程的内存布局

逻辑上将一个进程划分为以下几部分

• 文本：程序的指令
• 数据：程序使用的静态分布
• 堆：程序可从该区域动态分配额外内存
• 栈：随函数调用、返回而增减的一片内存，用于为局部变量和函数调用链接信息分配存储空间

创建进程和执行程序

• 进程可使用系统调用fork()来创建一个新进程
• 调用fork()进程称为父进程，新创建的进程则被称为子进程
• 内核通过对父进程的复制来影响子进程

init进程

• /sbin/init————“所有进程之父”
• 系统的所有进程不是由init创建就是由其后代创建
• 进程号总是1

环境列表

• 每个进程都有一份环境列表，即在进程用户空间内存中维护的一组环境变量
• 其中包括：HOME(明确定义了用户登录目录的路径名)，PATH(指明了用户输入命令后，shell查找与之对应程序时所搜索的目录列表)

资源限制

• 每个进程都会消耗诸如打开文件、内存以及CPU时间之类的资源
• 使用系统调用setrlimit()进程可以为自己消耗的各类资源设定一个上限
• 两个相关值：软限制、硬限制

内存映射

调用系统函数mmap()的进程，会在其虚拟地址空间中创建一个新的内存映射

• 文件映射：文件的部分区域映射入调用进程的虚拟内存
• 如果无对应的匿名映射，其映射页面的内容会被初始化为0

静态库和共享库

静态库

• 本质上是对已经编译目标模块的一种结构化整合

共享库

进程间通信及同步

1. 信号：用来表示事件的发生
2. 管道(|)和FIFO：用在进程间传递数据
3. 套接字：不同进程间传输数据
4. 文件锁定
5. 信号队列：进程间交换信息
6. 信号量：同步进程动作
7. 贡献内存：允许两个和两个以上进程共享这块内存

信号

内核、其他进程或进程自身均可向进程发送信号

线程

• 每个进程都可执行多个线程
• 想象为共享同一虚拟内存及一干其他属性的进程

进程组和shell任务控制

• shell执行的每个程序都会在一个新进程内发起

会话、控制终端和控制进程

• 会话指的是一组进程组

伪终端

• 伪终端是一对相互连接的虚拟设备，也称为主从设备
• 这对设备之间，有一条IPC信道，可供数据进行双向传递

日期和时间

• 真实时间：指的是在进程的生命期内，以某个标准时间点或固定时间点为起点测量出来的时间
• 进程时间：指的是进程自启动起来，所占用的CPU的时间量

客户端/服务器架构

• 客户端：向服务器发送请求信息，请求服务器执行某些服务
• 服务器：分析客户端的请求，执行相应的动作，然后向客户端发回响信息

实时性

/proc文件系统

• 是一种虚拟文件系统，以文件系统目录和文件形式，指向一个指向内核数据结构的接口