Chapter 1 - The Big Picture

Created by : Mr Dk.

2019 / 06 / 05 0:28

@Nanjing, Jiangsu, China

1.1 Levels and Layers of Abstraction in a Linux System

Linux 系统分为三个等级：

Hardware - 主存、CPU、设备
Kernel - 操作系统核心
User Processes - 内核管理的运行程序

内核运行于 kernel mode，访问主存和 CPU 不受约束，强大且危险。内核进程可能使整个系统崩溃。用户进程运行于 user mode，受限访问一部分内存和安全的 CPU 操作，内核会清理用户进程的错误。

1.2 Hardware: Understanding Main Memory

主存是一个存储 0 或 1 的巨大存储区。state 经常被用于形容内存、进程或内核，其实就是特定排列的 bit 序列。

注意：

state 通常被用于形容 bits 的抽象排列
image 通常被用于形容 bits 的物理排列

1.3 The Kernel

内核做的几乎所有事情都和主存有关。内核主要负责四个主要的管理工作：

进程管理 - 决定哪个进程可以使用 CPU
存储器管理 - 追踪所有的存储器，哪些被使用，哪些被共享，哪些被回收
设备驱动管理 - 硬件和进程的接口
系统调用和支持

1.3.1 Process Management

进程管理主要包含了进程的创建、暂停、继续、终结。在任何现代操作系统中，进程同时运行，但实际上不是在相同的时刻被运行。想象一个单核 CPU，一次只能有一个进程使用 CPU，每个进程使用 CPU 一小段时间。进程将 CPU 控制权交给另一个进程的过程称为 上下文切换 context switch。

每个时间片 (time slice)：给定进程的 CPU 使用时间，通常足够进程完成其目前的工作。然而，由于这个时间片非常小，人类难以察觉出来，从而产生了多个程序正被同时运行的错觉。由内核负责上下文切换：

CPU 根据内部计时器中断目前的进程，切换到内核模式，将控制权交给内核
内核记录目前的 CPU 和内存状态 - 用于之后的恢复
内核处理上一时间片期间发生的 I/O 操作等
内核就绪，分析进程的 ready list，并选择一个执行
内核准备新进程的内存空间和 CPU
内核告诉 CPU 该进程的时间片
内核将 CPU 切换到 user mode，将 CPU 控制权交给进程

内核在两个时间片之间的时间内运行。

1.3.2 Memory Management

内核的存储器管理极为复杂，必须拥有用户空间不可访问的私有空间，每个用户进程需要有自己的内存区域，每个用户进程不能访问其它进程的私有内存。用户进程可以共享内存，部分内存只读。系统可以通过硬盘空间对换，使用比物理空间更多的内存。

现代 CPU 通过 memory management unit (MMU) 引入了 virtual memory。使用虚存时，进程不直接访问物理内存，内核使每个进程感觉自己正在使用整个内存空间一样。MMU 将虚拟地址映射到实际的物理地址上，内核必须初始化并连续追踪内存映射的变化。内存映射表的实现叫做 page table - 页表。

1.3.3 Device Drivers and Management

设备只能在 kernel mode 被访问，设备驱动属于内核的一部分，向用户进程提供统一的接口。

1.3.4 System Calls and Support

两个重要的系统调用：

fork() - 内核创建一个与源进程几乎相同的拷贝
exec() - 内核执行程序，替换现有进程

shell 的实现流程。

1.4 User Space

内核分配给用户进程的主存空间成为用户空间，也叫 userland。

1.5 User

用户是运行进程和拥有文件的实体。每个用户关联一个 username，但内核通过唯一的 userids 识别用户。用户的存在主要为了权限和边界管理 - 每个用户空间进程都有一个 owner，进程被 run as owner。用户可以终结或修改自己拥有的进程行为，但不能干涉其它用户进程。root 用户 - superuser：

终结或修改任意进程
读取任意文件

Groups 是 user 的集合，允许一个用户与组中其它用户共享文件访问权限。