linux操作系統原理的示例分析

這篇文章將為大家詳細講解有關linux操作系統原理的示例分析，小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

linux操作系統原理文字版

一.計算機經歷的四個時代

1.第一代：

真空管計算機，輸入和輸出：穿孔卡片，對計算機操作起來非常不便，做一件事可能需要十幾個人去共同去完成，年份大概是：1945-1955。而且耗電量特別大，如果那個時候你家里有臺計算機的話，可能你一開計算機你家的電燈泡亮度就會變暗，哈哈~

2.第二代：

晶體管計算機，批處理（串行模式運行）系統出現。相比第一臺省電多了。典型代表是Mainframe。年份大概是：1955-1965。在那個年代：Fortran語言也就誕生啦~一門非常古老的計算機語言。

3.第三代：

集成電路出現，多道處理程序（并行模式運行）設計，比較典型的代表就是：分時系統（把CPU的運算分成了時間片）。年份大概是：1965-1980年左右。

4.第四代：

PC機出現，大概是從：1980年左右。相信這個時代典型人物代表：比爾蓋茨，喬布斯。

二.計算機的工作體系

雖然說計算機經過了四個時代的演變，但是到今天為止，計算機的工作體系還是比較簡單的。一般而言，我們的計算機有五大基本部件。

1.MMU（內存控制單元，實現內存分頁【memory page】）

運算機制被獨立在CPU（計算控制單元）上，在CPU當中有一個獨特的芯片叫MMU。他是用來計算進程的線線地址和物理地址的對應關系的。它還用于訪問保護的，即一個進程先要訪問到不是它的內存地址，是會被拒絕的！

2.存儲器（memory）

3.顯示設備（VGA接口，顯示器等等）【屬于IO設備】

4.輸入設備（keyboard，鍵盤設備）【屬于IO設備】

5.硬盤設備（Hard dish control ，硬盤控制器或適配器）【屬于IO設備】

擴充小知識：

這些硬件設備在一條總線上鏈接，他們通過這條線進行數據交互，里面的帶頭大哥就是CPU，擁有最高指揮權。那么它是如何工作的呢？

A.取指單元（從內存中取得指令）；

B.解碼單元（完成解碼[講內存中取到的數據轉換成CPU真正能運行的指令]）；

C.執行單元（開始執行指令，根據指令的需求去調用不同的硬件去干活。）；

我們通過上面知道了MMU是CPU的一部分，但是CPU有還要其他的部件嗎？當然是有的啦，比如指令寄存器芯片，指令計數器芯片，堆棧指針。

指令寄存器芯片：就是CPU用于將內存中的數據取出來存放的地方；

指令計數器芯片：就是CPU為了記錄上一次在內存中取數據的位置，方便下一次取值；

堆棧指針：CPU每次取完指令后，就會把堆棧指針指向下一個指令在內存中的位置。

他們的工作周期和CPU是一樣快的速度，跟CPU的工作頻率是在同一個時鐘周期下，因此他的性能是非常好的，在CPU內部總線上完成數據通信。指令寄存器芯片，指令計數器芯片，堆棧指針。這些設備通常都被叫做CPU的寄存器。

寄存器其實就是用于保存現場的。尤其是在時間多路復用尤為明顯。比如說CPU要被多個程序共享使用的時候，CPU經常會終止或掛起一個進程，操作系統必須要把它當時的運行狀態給保存起來（方便CPU一會回來處理它的時候可以繼續接著上次的狀態干活。）然后繼續運行其他進程（這叫計算機的上下文切換）。

三.計算機的存儲體系。

1.對稱多處理器SMP

CPU里面除了有MMU和寄存器（接近cpu的工作周期）等等，還有cpu核心，正是專門處理數據的，一顆CPU有多個核心，可以用于并行跑你的代碼。工業上很多公司采用多顆CPU，這種結構我們稱之為對稱多處理器。

2.程序局部性原理

空間局部性：

程序是由指令和數據組成的。空間局部性指的是一個數據被訪問到之后，那么離這個數據很近的其他數據隨后也可能會被訪問到。

時間局部性：

一般而言當一個程序執行完畢后，可能很快會被訪問到。數據也是同樣的原理，一個數據的被訪問到，很可能會再次訪問到。

正是因為程序局部性的存在，所以使得無論是在空間局部性或者時間的局部性的角度來考慮，一般而言我們都需要對數據做緩存。

擴充小知識：

由于CPU內部的寄存器存儲的空間有限，于是就用了內存來存儲數據，但是由于CPU和速度和內存的速度完全不在一個檔次上，因此在處理的數據的時候回到多數都在等（CPU要在內存中取一個數據，cpu轉一圈的時間就可以處理完，內存可能是需要轉20圈）。為了解決使得效率更加提高，就出現了緩存這個概念。

既然我們知道了程序的局部性原理，有知道了CPU為了獲得更多的空間其實就是用時間去換空間，但是緩存就是可以直接讓cpu拿到數據，節省了時間，所以說緩存就是用空間去換時間

3.就算進存儲體系

工作時間就的朋友可能見過磁帶機，現在基本上都被OUT了，企業很多都用機硬盤來替代磁帶機了，所以我們這里就從我們最熟悉的家用電腦的結構來說，存下到上一次存儲數據是不一樣。我們可以簡單舉個例子，他們的周存儲周期是有很大差距的。尤為明顯的是機械硬盤和內存，他們兩個存取熟讀差距是相當大的。

擴充小知識：

相比自己家用的臺式機或是筆記本可能自己拆開過，講過機械式硬盤，固態硬盤或是內存等等。但是可能你沒有見過緩存物理設備，其實他是在CPU上的。因此我們對它的了解可能會有些盲區。

先說說一級緩存和耳機緩存吧，他們的CPU在這里面取數據的時候時間周期基本上查不了多少，因一級緩存和二級緩存都在CPU核心內部資源。（在其他硬件條件相同的情況下。一級緩存128k可能市場價格會買到300元左右，、一級緩存256k可能會買到600元左右，一級緩存512k可能市場價格就得過四位數這個具體價格可以參考京東啊。這足以說明緩存的造價是非常高的！）這個時候你可能會問那三級緩存呢？其實三級緩存就是就是多顆CPU共享的空間。當然多顆cpu也是共享內存的。

4.非一致性內存訪問（NUMA）

我們知道當多顆cpu共享三級緩存或是內存的時候，他們就會出現了一個問題，即資源征用。我們知道變量或是字符串在內存中被保存是有內存地址的。他們是如何去領用內存地址呢？我們可以參考下圖：

沒錯，這些玩硬件的大牛們將三級緩存分割，分別讓不同的CPU占用不同的內存地址，這樣我們可以理解他們都有自己的三級緩存區域，不會存在資源搶奪的問題，但是要注意的是他們還是同一塊三級緩存。就好像北京市有朝陽區，豐臺區，大興區，海淀區等等，但是他們都是北京的所屬地。我們可以這里理解。這就是NUMA，他的特性就是：非一致性內存訪問，都有自己的內存空間。

擴展小知識：

那么問題來了，基于重新負載的結果，如果cpu1運行的進程被掛起，其地址在他自己的它的緩存地址是有記錄的，但是當cpu2再次運行這個程序的時候被CPU2拿到的它是如何處理的呢？

這就沒法了，只能從CPU1的三級換粗區域中復制一份地址過來一份或是移動過來一份讓CPU2來處理，這個時候是需要一定時間的。所以說重新負載均衡會導致CPU性能降低。這個時候我們就可以用進程綁定來實現，讓再次處理該進程的時候還是用之前處理的CPU來處理。即進程的CPU的親緣性。

5.緩存中的通寫和回寫機制。

CPU在處理數據的地方就是在寄存器中修改，當寄存器沒有要找的數據是，就會去一級緩存找，如果一級緩存中沒有數據就會去二級緩存中找，依次查找知道從磁盤中找到，然后在加載到寄存器中。當三級緩存從內存中取數據發現三級緩存不足時，就會自動清理三級緩存的空間。

我們知道數據最終存放的位置是硬盤，這個存取過程是由操作系統來完成的。而我們CPU在處理數據是通過兩種寫入方式將數據寫到不同的地方，那就是通寫（寫到內存中）和回寫（寫到一級緩存中）。很顯然回寫的性能好，但是如果斷電的話就尷尬了，數據會丟失，因為他直接寫到一級緩存中就完事了，但是一級緩存其他CPU是訪問不到的，因此從可靠性的角度上來說通寫方式會更靠譜。具體采用哪種方式得你自己按需而定啦。

四.IO設備

1.IO設備由設備控制器和設備本身組成。

設備控制器：集成在主板的一塊芯片活一組芯片。負責從操作系統接收命令，并完成命令的執行。比如負責從操作系統中讀取數據。

設備本身：其有自己的接口，但是設備本身的接口并不可用，它只是一個物理接口。如IDE接口。

擴展小知識：

每個控制器都有少量的用于通信的寄存器（幾個到幾十個不等）。這個寄存器是直接集成到設備控制器內部的。比方說，一個最小化的磁盤控制器，它也會用于指定磁盤地址，扇區計數，讀寫方向等相關操作請求的寄存器。所以任何時候想要激活控制器，設備驅動程序從操作系統中接收操作指令，然后將它轉換成對應設備的基本操作，并把操作請求放置在寄存器中才能完成操作的。每個寄存器表現為一個IO端口。所有的寄存器組合稱為設備的I/O地址空間，也叫I/O端口空間，

2.驅動程序

真正的硬件操作是由驅動程序操作完成的。驅動程序通常應該由設備生產上完成,通常驅動程序位于內核中，雖然驅動程序可以在內核外運行，但是很少有人這么玩，因為它太低效率啦！

3.實現輸入和輸出

設備的I/O端口沒法事前分配，因為各個主板的型號不一致，所以我們需要做到動態指定。電腦在開機的時候，每個IO設備都要想總線的I/o端口空間注冊使用I/O端口。這個動態端口是由所有的寄存器組合成為設備的I/O地址空間，有2^16次方個端口，即65535個端口。

如上圖所示，我們的CPU有要想跟指定設備打交道，就需要把指令傳給驅動，然后驅動講CPU的指令轉換成設備能理解的信號放在寄存器中（也可以叫套接字，socket）.所以說寄存器（I/O端口）是CPU通過總線和設備打交道的地址（I/O端口）。

擴展小知識：

三種方式實現I/O設備的輸入和輸出：

A..輪詢：

通常指的是用戶程序發起一個系統調用，內核將其翻譯成一個內核對應驅動的過程調用，然后設備驅動程序啟動I/O,并在一個連續循環不斷中檢查該設備，并看該設備是否完成了工作。這有點類似于忙等待（就是cpu會用固定周期不斷通過遍歷的方式去查看每一個I/O設備去查看是否有數據， 顯然這種效率并不理想。）,

B..中斷：

中斷CPU正在處理的程序，中斷CPU正在執行的操作，從而通知內核來獲取中斷請求。在我們的主板通常有一個獨特的設備，叫做可編程中斷控制器。這個中斷控制器可以通過某個針腳和CPU直接進行通信，能夠出發CPU發生某個位置偏轉，進而讓CPU知道某個信號到達。中斷控制器上會有一個中斷向量（我們每一個I/O設備在啟動時，要想中斷控制器注冊一個中斷號，這個號通常是唯一的。通常中斷向量的每一個針腳都是可以識別多個中斷號的），也可以叫中斷號。

因此當這個設備真正發生中斷時，這個設備不會把數據直接放到總線上，這個設備會立即向中斷控制器發出中斷請求，中斷控制器通過中斷向量識別這個請求是哪個設備發來的，然后通過某種方式通知給CPU，讓CPU知道具體哪個設備中斷求情到達了。這個時候CPU可以根據設備注冊使用I/O端口號，從而就能獲取到設備的數據了。（注意，CPU是不能直接取數據的喲，因為他只是接收到了中斷信號，它只能通知內核，讓內核自己運行在CPU上，由內核來獲取中斷請求。）舉個例子，一個網卡接收到外來IP的請求，網卡也有自己的緩存區，CPU講網卡中的緩存拿到內存中進行去讀，先判斷是不是自己的IP，如果是就開始拆報文，最后會獲取到一個端口號，然后CPIU在自己的中斷控制器去找這個端口，并做相應的處理。

內核中斷處理分為兩步：中斷上半部分（立即處理）和中斷下半部分（不一定）。還是從網卡接收數據為例，當用戶請求到達網卡時，CPU會命令講網卡緩存區的數據直接拿到內存中來，也就是接收到數據后會立即處理（此處的處理就是將網卡的數據讀到內存中而已，不做下一步處理，以方便以后處理的。），這個我們稱之為中斷的上半部分，而后來真正來處理這個請求的叫做下半部份

C.DMA：

直接內存訪問，大家都知道數據的傳輸都是在總線上實現的，CPU是控制總線的使用者，在某一時刻到底是有哪個I/O設備使用總線是由CPU的控制器來決定的。總線有三個功能分別是：地址總線（完成對設備的尋址功能），控制總線（控制各個設備地址使用總線的功能）以及數據總線（實現數據傳輸）。

通常是I/O設備自帶的一個具有智能型的控制芯片（我們稱之為直接內存訪問控制器），當需要處理中斷上半部分時，CPU會告知DMA設備，接下來總線歸DMA設備使用，并且告知其可以使用的內存空間，用于將I/O設備的數據讀取到內存空間中去。當DMA的I/O設備將數據讀取完成后，會發送消息告訴CPU以及完成了讀取操作，這個時候CPU再回通知內核數據已經加載完畢，具體中斷下半部分的處理就來交個內核處理了。現在大多數設備都是用DMA控制器的，比如：網卡，硬盤等等。

五.操作系統概念

通過上面的學習，我們知道了的計算機有五大基本部件。操作系統主要就是把這五個部件給它抽象為比較直觀的接口，由上層程序員或者用戶直接使用的。那事實上在操作系統中被抽象出來的東西又該是什么呢？

1.CPU（time slice）

在操作系統中，CPU被抽象成了時間片，而后將程序抽象成進程，通過分配時間片讓程序運行起來。CPU有尋址單元用于來識別變量在內存的中所保存的集體內存地址。

而我們主機內部的總線是取決于CPU的位寬（也叫字長），比如32bit的地址總線，它能表示2的32次方個內存地址，轉換成10進制就是4G內存空間，這個時候你應該就明白為什么32位的操作系統中只能識別4G內存了吧？即使你的物理內存是16G，但是可用的還是4G，所以，你如果發現你的操作系統能識別4G以上的內存地址，那么你的操作系統一定就不是32位的啦！

2.內存（memory）

在操作系統中，內存的實現是通過虛擬地址空間來實現的。

3.I/O設備

在操作系統中，最核心的I/O設備就是磁盤，大家都知道磁盤是提供存儲空間的，在內核中把它抽象成了文件。

4.進程

說白了，計算機存在的主要目的不就是運行程序嗎？程序跑起來，我們統一叫進程（我們暫時不用理會線程）。那如果多個進程同時運行就意味著把這些有限的抽象資源（cpu,memory等等）分配給多個進程。我們把這些抽象資源統稱為資源集。

資源集包括：

1>.cpu時間；

2>.內存地址：抽象成虛擬地址空間(如32位操作系統，支持4G空間，內核占用1G空間，進程也會默認自己有3G可用，事實上未必有3G空間，因為你的電腦可能會是小于4G的內存。)

3>.I/O:一切皆文件打開的多個文件，通過fd（文件描述符，file descriptor）打開指定的文件。我們把文件分為三類：正常文件、設備文件、管道文件。

每一個進行都有自己作業地址結構，即：task struct。其就是內核為每個進程維護的一個數據結構（一個數據結構就是用來保存數據的，說白了就是內存空間，記錄著該進程所擁有的資源集，當然還有它的父進程，保存現場【用于進程切換】，內存映射等待）。task struct模擬出來了線性地址，讓進程去使用這些線性地址，但是它會記錄著線性地址和物理內存地址的映射關系的。

5.內存映射-頁框

只要不是內核使用的物理內存空間我們稱之為用戶空間。內核會吧用戶空間的物理內存切割成固定大小的頁框（即page frame），歡聚話說，就是且更成一個固定大小的存儲單位，比默認的單個存儲單元（默認是一個字節，即8bit）要大.通常每4k一個存儲單位。每一個頁框作為一個獨立的單元向外進行分配，且每一個頁框也都其編號。【舉個例子：假設有4G空間可用，每一個頁框是4K，一共有1M個頁框。】這些頁框要分配給不同的進程使用。

我們假設你有4G內存，操作系統占用了1個G，剩余的3G物理內存分配給用戶空間使用。每一進程啟動之后，都會認為自己有3G空間可用，但是實際上它壓根就用不完3G。進程進行寫入內存是被離散存儲的。哪有空余內存就往哪存取。具體的存取算法不要問我，我也沒有研究過。

進程空間結構：

1>.預留空間

2>.棧（變量存放處）

3>.共享庫

4>.堆（打開一個文件，文件中的數據流存放處）

5>.數據段（全局的靜態變量存放處）

6>.代碼段

進程和內存的存儲關系如下：

每個進程空間都有預留空間，當某個進程發現自己打開的數據已經不夠用，它需要打開一個新文件（打開一個新文件就需要在進程的地址空間存放數據），很顯然我們上圖的進程地址空間是線性的并不是真正意義上的。當一個進程真正去申請使用一個內存時，需要向內核發起系統調用，由內核在物理內存上找一個物理空間，并告訴該進程可以使用的內存地址。比方說進程要在堆上打開一個文件，它需要向操作系統（內核）申請使用內存空間，且在物理內存允許的范圍內（即請求的內存需要小于空閑物理內存），內核會分配給該進程內存地址。

每一進程都有自己想線性地址，這個地址是操作系統虛擬出來的，并不真實存在，它需要把這個虛擬地址和真正的物理內存做一個映射關系，如圖“進程和內存的存儲關系”，最終的進程數據的存放處位置還是映射到內存中了。這就意味著，當一個進行跑到CPU上執行時，它告訴CPU的是自己的線性地址，這時候CPU不會直接去找這個線性地址（因為線性地址是虛擬出來的，不真實存在，真正存放地址進程的是物理內存地址。），它會先去找這歌進程的“task struct”，并裝載頁表（page table）[記錄著線性地址到物理內存的映射關系，每一個對應關系叫做一個頁表項。]，以讀取到進程的所擁有的線性地址所對應的真正的物理內存地址。

擴展小知識：

CPU訪問進程的地址時，首先獲取到的是進程的線性地址，它將這個線性地址交給自己的芯片MMU進行計算，得到真正的物理內存地址，從而達到訪問進程內存地址的目的。換句話說，只要他想要訪問一個進程的內存地址，就必須經過MMU運算，這樣導致效率很低，因此他們有引進了一個緩存，用于存放頻繁訪問的數據，這樣就可以提高效率，不用MMU進行計算，直接拿到數據去處理就OK了，這個緩存器我們稱之為：TLB：轉換后援緩沖器(緩存頁表的查詢結果)

注意：在32bit的操作系統是線線地址到物理內存的映射。而在64bit操作系統是恰恰相反的！

6.用戶態和內核態

操作系統運行時為了呢能夠實現協調多任務，操作系統被分割成了2段，其中接近于硬件一段具有特權權限的叫做內核空間，而進程運行在用戶空間當中。所以說，應用程序需要使用特權指令或是要訪問硬件資源時需要系統調用。

只要是被開發成應用程序的，不是作為操作系統本身的一部分而存在的，我們稱之為用戶空間的程序。他們運行狀態稱之為用戶態。

需要在內核（我們可以認為是操作系統）空間運行的程序，我們稱之他們運行在內核空間，他們運行的狀態為用戶態，也叫核心態。注意：內核不負責完成具體工作。在內核空間可用執行任何特權操作。

每一個程序要想真正運行起來，它最終是向內核發起系統調用來完成的，或者有一部分的程序不需要內核的參與，有我們的應用程序就能完成。我們打個比方，你要計算2的32次方的結果，是否需要運行在內核態呢？答案是否定的，我們知道內核是不負責完成具體工作的，我們只是想要計算一個運算結果，也不需要調用任何的特權模式，因此，如果你寫了一些關于計算數值的代碼，只需要把這個代碼交給CPU運行就可以了。

如果一個應用程序需要調用內核的功能而不是用戶程序的功能的話，應用程序會發現自己需要做一個特權操作，而應用程序自身沒有這個能力，應用程序會向內核發申請，讓內核幫忙完成特權操作。內核發現應用程序是有權限使用特權指令的，內核會運行這些特權指令并把執行結果返回給應用程序，然后這個應用程序拿到特權指令的執行結果后，繼續后續的代碼。這就是模式轉換。

因此一個程序員想要讓你的程序具有生產力，就應該盡量讓你的代碼運行在用戶空間，如果你的代碼大多數都運行在內核空間的話，估計你的應用程序并不會給你打來太大的生產力喲。因為我們知道內核空間不負責產生生產力。

擴充小知識：

我們知道計算機的運行就是運行指定的。指令還分特權指令級別和非特權指令級別。了解過計算機的朋友可能知道X86的CPU架構大概分成了四個層次，由內之外共有四個環，被稱為環0，環1，環2，環3。我們知道環0的都是特權指令，環3的都是用戶指令。一般來講，特權指令級別是指操作硬件，控制總線等等。

一個程序的執行，需要在內核的協調下，有可能在用戶態和內核態互相切換，所以說一個程序的執行，一定是內核調度它到CPU上去執行的 。有些應用程序是操作系統運行過程當中，為了完成基本功能而運行的，我們就讓他在后臺自動運行，這叫守護進程。但是有的程序是用戶需要的時候才運行的，那如何通知內核講我們需要的應用程序運行起來呢？這個時候你就需要一個解釋器，它能和操作系統打交道，能夠發起指令的執行。說白了就是能夠把用戶需要的運行請求提交給內核，進而內核給它開放其運行所需要的有賴于的基本條件。從而程序就執行起來了。

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