《深入了解Linux内核》学习笔记——第一章
《深入理解Linux内核》学习笔记——第一章
第一章 绪论
本章内容涉及整本书，大致介绍了整本书的编排情况。主要知识点有以下几点：
第一章 绪论
本章内容涉及整本书，大致介绍了整本书的编排情况。主要知识点有以下几点：
1.Linux是单块结构内核（Monolithic kernel）因此也引入了模块（module）这个强大的东西，内核可以按需装载或卸载模块。引申开来，在进行Linux移植时会需要自己定制代码，通常采用MenuConfig的方法，选择需要编译进内核的模块，这种设计方法为移植带了方便。
2.抢占式内核，这样就可以满足实时性，通常实时性操作系统都是抢占式内核。
3.“操作系统”是“内核”的同义词。操作系统最基本的两个目标是：一是与硬件部分交互，为包含在硬件平台上的所有底层可编程部件提供服务，二是为运行在计算机系统上的应用程序提供执行环境。用四个字来概括就是：承上启下！
4.Linux的“两态”，即用户程序的非特权模式和内核的特权模式。把他叫做用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）
这个概念很重要，将会涉及两种状态之间的切换，内存的管理，等等一系列的问题。
5.进程！！！！！超级重要的概念啊！！！有木有？？进程的理解方式有很多，但我觉得最好的理解是：“程序执行时的一个实例”或者说运行程序的“执行上下文（上下文这个概念很烦是不是，记得小学语文就有题目根据上下文意思理解这个词语，，但是在程序里面上下文可以理解为两个字：环境!）”，程序和进程的概率很容易混淆（这也是常规面试题啊！），要知道程序是静止的，进程是运动的！对于单处理器来说，只有一个进程能占用CPU，这就要引申另一个很重要的概念就是：宏观并行，微观串行！！而实现这个的就是一个伟大的产物：中断（interrupt）！！进程是个很自私的人，他妄图霸占所有资源（每个进程都认为是系统中唯一的进程，可以独占操作系统所提供的服务），为了公平，就出现了中断，他按照规则让很多进程一个个运行。这个时候就要解释下什么叫做霸占资源了。通常32位的操作系统只能访问4G的内存空间，3G给用户，1G给内核（见上一条两态），进程认为这4g空间都是他的，
进程在哪个空间运行，就是说他在什么状态。当进程发出系统调用时，这是就会从用户态到内核态，请求满足后就会又回到用户态。
6.Linu
x的四大天王：进程管理，内存管理，文件操作（设备属于文件），网络。先说说文件，文件我觉得是Linux设计最巧妙的地方之一，有句话说的好”思从深，行从简“我觉得这是对Linux文件一个很好的描述，文件很复杂，但用一些公共的操作就能让一个复杂的东西简化。文件的种类有以下几种：普通文件，目录，符号链接，字符设备文件，块设备文件，管道（FIFO）和套接字。所有的所有归结为文件操作既是：增，删，读、写、改，查！！
7.继续说这个文件，文件怎么描述？他的信息放在一个索引节点（Inode）的数据结构里。里面包含了一系列重要的内容：如文件类型，文件大小，设备标示符，索引节点号，文件拥有者，时间戳，访问权限等。这里再引申下，由于设备本身就是文件，所以，在进行设备文件操作时就格外要注意其他两样东西Device和Driver，这个当看到设备驱动的时候会详细说一下。
8.回到进程上来，说说内核和进程的关系吧。刚刚说到进程其实就是运行着的程序。有人会说内核的本质也是程序，那可不可以说是进程，其实内核本身并不是进程，而是进程的管理者。千万不要把内核和内核线程混淆，内核线程运行在内核地址空间且不与用户直接交互，在系统启动时创建关闭时销毁。现在详细说下”两态“之间的转化，可以这样理解（套用当年吴老师的话），内核是皇宫，而用户是平民，平民怎么能随便拜见皇帝呢，你信访也得有个信访局从中间代劳吧，所以系统调用就是那个信访局，当然还有一条路就是中断（可以包括外部和内部中断，内部中断如定时器中断，外部如设备中断等等），这个中断也是有风险的要是有更高优先级的中断来，你的请求可不一定会被授予啊。。就像市长在你面前一挡，你的请求时没办法递到党*的。当然最后还要一种情况会从用户态到内核，就是产生一个异常（exception），像除法异常之类的。
9.既然进程那么重要，那就不能让他出乱子，为了能让内核管理这些进程，每个进程都会由一个进程描述符（process descriptor）表示，这个描述符包含了有关进程当前的状态信息。现在来回顾下进程的三个状态：运行、就绪、阻塞
当内核暂停一个执行着的进程（即2或者3）时，就把几个相关的处理器寄存器的内容保存在进程描述符中，包括：程序计数器（PC）和栈指针（SP）寄存器，通用寄存器，浮点寄存器，包含CPU状态的信息的处理器控制寄存器，用来跟踪进程对RAM访问的内存管理寄存器。当内核恢复执行一个进程（即1），他用进程描述符中适当的字段来装填CPU寄存器。那他怎么知道在哪恢复执行呢，是因为程序计数器中的值即是他接下来要执行的指令。
10.关于可重入内核（reentrant），说实在的对这个概念理解的并不是很深刻，先说说其定义：可重入内核可允许若干个进程同时在内核态下执行。个人理解为在内核态中可发生嵌套。如图所示
这里在内核态中，就发生了一次嵌套。如有理解不对的地方请指正。还有一个概念就做可重入函数：只修改局部变量，不修改全局变量的函数。。。。不能理解啊！！！！？？？？
11.进程地址空间。这个概念相当重要，细讲起来可能要用一章的时间。先说点全局性的知识点，第5条层说过进程很自私，他运行在他自己的私有空间，在用户态下运行的进程涉及到私有栈，数据区和代码区。当在内核态运行时，进程访问内核的数据区和代码区，但使用另外的私有栈。有了私有当然就有公有，称其为共享内存，由进程显式的提出。通过这个共享内存可以实现进程间的通信。
12.进程同步（这里的同步一定要解释下，很多人误解同步就是一起操作的意思，其实事实恰好相反，同步时指多个进程间需要处理同一个数据，为了防止读写数据出现问题，而协调这些进程一个个去处理。是这样一个意思。）：这个是经常遇到的问题，不仅面试会考，就是在平常debug的时候也会经常遇到。据我不规范统计，在代码中出现偶然产生的bug，通常就是由进程交错执行发生的。因为进程很不靠谱，你不知道他什么时候执行（这个就让我想到了薛定谔的猫他这个状态不可知）。。。所以当多个进程交错执行，并且涉及到临界区的访问，必然容易出现这个问题。那进程的同步怎么去做呢，一般有以下几个方法：
一禁止中断（中断时万恶之源，又是天使，禁止他，就可以保证进程的执行不被打扰）
二信号量（semaphore）这个概念很重要，因为不仅这一处会使用，在进程通信也会使用，在进程通信时会比较下这两个。先说说同步进程的这个信号量，信号量由：一个整数变量，一个等待进程链表，两个原子方法down（）和up（），down（）使信号量值减一，这个值小于0时，就把这个进程加入到信号量列表（可以理解为等待队列），up（）对信号量加1，如果这个新值大于等于0，则激活这个信号量链表中的进程。信号量的概念还是可以理解的，这里引申一下，我们知道有一种设计模式叫做单例模式（Singleton
Pattern），也是用一个变量来控制实例的创建数量。
三自旋锁（spin lock）自旋锁和信号量很类似，唯一的区别就是自旋锁没有进城链表，当一个进程发现锁被另一个进程锁着，他就不停地“旋转”，执行一个紧凑的循环指令直到锁被打开。自旋锁一般用在多处理器系统中。
13.死锁（deadlock）。。。这个其实很简单。。但也很重要。。。因为在出现一些系统bug的时候往往就是他干的，先举个最简单的死锁的例子，进程p1获得访问数据结构a的权限，进程p2获得访问b的权限，但是p1在等待b，而p2在等待a，这样就会产生死锁。Linux通过按规定的顺序请求信号量来避免死锁。这段内容会具体在进程同步代码中叙述。
14.现在开始说信号（信号和进程通信中信号量是两个不同的概念，切不可混淆！！！），说信号之前必须先将明白两个重要的概念——异步与同步，这个概念是多线程操作系统中十分重要的概念之一，很多人都无法准确的理解，我就用最简单的话去概括这两个概念：同步是指：发送方发出数据后，等接收方发回响应以后才发下一个数据包的通讯方式。 异步是指：发送方发出数据后，不等接收方发回响应，接着发送下个数据包的通讯方式。可以这样形象的比喻，同步就是打电话，你一句我一句，异步就像发短信，我发了，不知道你什么时候回（如同屌丝发短信给白富美。。。。）那白富美（不对。。是进程）接到信号后一般会有两种态度：一不鸟屌丝（忽略该信号）。。二回一个“呵呵”（执行信号处理程序）
15.终于说到进程通信了。。。。一般采用三种机制来实现进程间通信：1信号量，2,消息队列，3共享内存（当然还有管道，套接字等方法。。到时候会一个个代码重现的），统称为System
V IPC
先说信号量：这里的信号量和进程同步的信号量类似，唯一的区别就是他是用在用户态下的。事实上他并不会传递信息。只是起到同步处理数据的效果。。
消息队列是能真正的发出接受信息的利用msgsnd（）及msgget（）系统调用交换消息。msgsend()表示把消息插入到指定队列，msgget（）表示从队列中提取消息。这里值得一提的是POSIX标准定义了一种基于消息队列的IPC机制，他对应用程序提供了一个更简单的基于文件的接口，这样就可以像文件操作一样发送接收消息了。
共享内存这个比较好理解就像全局变量一样，大家都可以用，都可以改。这个主要定义一些比较公共的信息。尤其是状态信息。稍微引申下。。在单片机的操作中时常会用到全局变量来传递参数，但是，我比较建议在单片机中全局变量尽量少用，有时会带来一些问题，尤其是定义了一些寄存器数据的全局变量，尽量采用一个Const指针指向某个寄存器地址，再用局部变量去取值。
16.进程管理：要想理解进程管理先必须了解进程之间的关系。进程之间的关系我们通过以下几个概念一一阐述：
父子进程：一个进程调用fork（）创建一个新的进程，则称调用者是父进程，被调用者是子进程，这应该很好理解的，他的名称就很好的理解了父子进程关系。还有一个很重要的问题，如果父进程不幸挂了。。。那子进程岂不是成了孤儿，那怎么办呢，其实所有进程都是有个始祖叫做init进程，这个进程在系统启动时产生（将来说到系统启动时会详细介绍），于是这个init进程成为这些“孤儿”的“父亲”。
进程组（process group），这个也比较好理解，就像做一件事需要许多个动作，每个动作就可以比喻成一个进程，而做的这件事就是进程组。简而言之就是完成同一项任务而相互有关联的进程的集合，这些进程产生的子进程也会被包含在进程组里。
登陆会话（login session）：登陆会话的理解可以使这样的，可以把进程组想象成进程，把登陆会话想象成进程组，也就是说登陆会话是许多个进程组的集合，但是只有一个进程组处于前台。
17.内存管理：内存管理相当复杂，占据了整本书三分之一的篇幅。想要理解内存管理先要理解:虚拟内存（virtual memory）！！！这个概念，虚拟内存作为一种逻辑层，处于应用程序的内存请求与硬件内存管理单元（MMU）之间，虚拟内存的主要成分是虚拟地址空间，进程所用的一组内存地址不同于物理内存地址。当进程使用虚拟地址时，内核和MMU协同定位其在内存中的实际物理地址。（这句话是内存管理的核心，一定要默念一百遍！！！）
这个图很形象的解释一个上面那句话，由物理地址到进程所用的地址需要经过这样几个处理。第一先经过MMU硬件单元处理（注意这里是硬件的分段分页）再经过Linux中的地址分配（这里是软件的分段分页）才真正为进程所用。也就是说硬件软件同时作用才形成了现在的内存管理机制！！！（很多参考书上解释的不是很清楚，一定要注意这点，再次强调！！）
18.进程虚拟地址空间处理。内核分配给进程的虚拟地址空间主要由以下几个内存区组成：程序可执行代码，初始化数据，未初始化数据，程序栈，所需共享库的可执行代码和数据，堆(由程序动态请求的内存)这里要说一个内存管理中很重要的特性：写时复制。当一个新进场被创建时，内核仅仅把父进程的页框赋给子进程的地址空间，但是这些页框标记为只读，一旦进场修改这个页中数据，就会产生一个异常，异常处理程序把新页框赋给受影响的进程，并用原来页中的内容初始化新页框。也就是说写时复制是通过异常的方法来实现的。
19,设备驱动（这是个大头，将来会用一章时间细讲）先介绍下farmwork
有图可知，设备和设备驱动是相互对应的关系，不同的设备其驱动也不一样。而内核所做的事是将这些设备抽象为两大块文件，一个是字符设备文件，一个是块设备文件，再通过虚拟文件系统对其再次抽象，为应用提供统一的系统调用接口，这样应用就可以像是有文件一样使用这些设备了（不仅感叹这种设计太巧妙了。不是吗？）。抽象的思想！！
本章内容都是比较浅尝辄止的，接下来会用更多的时间慢慢剖析这些问题。