Linux作業系統知識總結（一）

阿新 • • 發佈：2020-12-04

Linux基礎

建立資料夾 mkdir, 刪除資料夾 rmdir
檢視資料夾 cat，分頁檢視 more
複製檔案cp, rm 刪除檔案 mv移動檔案
統計檔案內容 wc -c 統計位元組數 -l 統計行 -m 統計字元數 -w 統計字數
排序 sort -kn制定n開始排序 -r逆序
修改檔案讀寫許可權 chmood ，分為數字許可權和字元許可權
touch -a 修改檔案時間標籤為現在時間
重定向命令 < 檔案如：cat > file//快速建立檔案
管道 |，命令1 | 命令2，將命令連線起來。

vi編輯器

1.命令模式：用於執行各個文字編輯命令。

2.插入模式：用於完成文字錄入工作。
3.末行模式：接收輸入命令並執行。

gcc

預處理->編譯與彙編->連結

gcc [選項] 檔案列表

gcc -o tes test.c //編譯成可執行檔案

程序管理概念

程序：是一個可併發執行的程式在一個數據集上的一次執行。

程序特性
1.動態性：程序建立而產生，由撤銷而消亡，因為排程而執行，因為等待而停頓。
2.併發性：在同一時間段內有多個程序在系統中活動。
3.獨立性：程序是獨立執行的基本單位，是作業系統分配資源和排程管理基本物件。
4.非同步性：每個程序獨立執行，按照著不可預知的速度前進。

程序基本狀態
1.就緒態:程序已經分配到除CPU之外的所有資源。
2.執行態：程序已經獲得CPU，正在執行，這時的程序狀態稱為執行態。
3.等待態：程序因某種資源不能滿足，或某事件尚未發生而暫停執行時，稱為等待態。

Linux核心執行模式

Linux的核心執行在核心態，而使用者程式則只能執行在使用者態。從使用者態轉換為核心態的唯一途徑是中斷（包括陷入）。一旦CPU響應了中斷，則將CPU的狀態切換到核心心態，待中斷處理結果返回時，再將CPU狀態切換回使用者態。
由於程序在其執行期間經常會被中斷打斷，也經常需要呼叫系統呼叫函式，因此CPU也經常地會在使用者態與核心態之間切換。計算和處理時，程序進入使用者態，執行系統呼叫或中斷處理程式進入核心態，執行核心程式碼。呼叫返回後又回到使用者態繼續執行。

程序控制

指對程序生命週期進行有效的管理，實現程序的建立、撤銷以及程序各狀態之間的轉換等控制功能。
1.建立程序：建立一個新程序操作，根據建立引數建立程序的PCB，為其分配資源，然後將PCB鏈入程序連結串列和可執行佇列中，等待執行。
2.撤銷程序：當一個程序執行終止時需要撤銷它。撤銷程序操作是：將程序的PCB從程序對列及連結串列中摘出，釋放程序所佔用的資源，最後銷去PCB.
3.阻塞程序：當正在執行的程序因某種原因無法執行下去時，就會轉入等待狀態。阻塞的工作是將執行態轉換成等待態，阻塞進的操作是：中斷程序執行儲存CPU現場，然後將PCB插入到等待佇列中，最後呼叫程序排程程式，從可執行佇列中選擇一個程序投入執行。
4.喚醒程式：處於等待轉態的程序所等待的事件出現時核心喚醒它。喚醒程序是從等待態轉入到就緒態。喚醒程序的操作是：在等待程序中找到滿足喚醒條件的程序，將其PCB插入到可執行佇列中。

ps命令

檢視程序資訊命令ps,該命令可檢視記錄在程序描述符task_struct中的幾乎所有資訊。
ps [選項]

-e     :      顯示所有程序。
-t tty :      顯示終端tty上的程序。
-f     :      以全格式顯示。
-o     :      以使用者自定義格式顯示。
a      :      顯示所有終端上的所有程序。
u      :      以面向使用者格式顯示。
x      ：     顯示所有不控制終端進。

程序排程

程序排程的功能是按照一定的策略把CPU分配給就緒程序，使它們輪流地使用CPU。
常用的排程演算法

（1）先進先出法：按照程序可執行佇列中的先後次序來排程，缺點是對緊迫任務的響應時間過長。
（2）短程序優先法：優先排程短程序執行，以提高系統的吞吐量，但對長程序不利。
（3）時間片輪轉法：程序按規定的時間輪流使用CPU。可滿足系統對使用者響應時間的要求，有很好的公平性。時間片長度的選擇應適當，過短會導致呼叫頻繁，過長則會使用者響應較慢。
（4）優先順序排程法：為每個程序設定優先順序，排程時優先選擇優先順序高的程序執行，使迫切的任務優先執行。排程法可以將優先順序為靜態優先和動態優先順序。靜態優先順序是預先指定的，動態優先順序則隨著程序的執行時間而降低或升高。

實際應用中，會搭配多種策略結合使用，如時間片輪轉也可適當考慮優先順序因素，對緊急的可以分配長一點的時間片，或連續執行多個時間片。

Linux實時程序排程演算法

1.排程策略：Linux將程序分為實時程序與普通程序（非實時）兩類，分別採用不同的的排程策略。
2.實時優先順序：標示實時程序優先權的高低，範圍可在0（最低）_{99（最高），實時進項為1}99，非實時為0。
3.靜態優先順序：程序的基本優先順序。程序在建立之初繼承了一個表優先程度，它決定程序的靜態優先順序，普通程序為範圍為100（最高）~139（最低），預設為120，實時程序的此項無實際意義。
4.動態優先順序：程序排程使用的實際優先順序。它是對靜態優先順序的調整。
5.時間片：程序當前剩餘時間。

Linux排程器

RT排程器：實時程序的原則是嚴格按優先順序排程，在同一優先上採用先進先出或輪轉法程序排程

（1）實時程序可執行佇列：採用rt_rq結構描述，其中包括了實時排程所需的各個資訊。
（2）實時程序的排程策略：先進先出法：程式依次選擇當前最高優先順序FIFO型別的程序，排程其執行。輪轉法：給每一個實時程序分配一個時間片，然後按照它們的優先順序加入到相應的優先順序佇列中。
（3）實時排程的實施：當一個實時程序就緒時，核心將會根據它的優先順序其放入相應佇列尾部。

CFS排程器

（1）排程策略的公平性：普通排程法就是完全公平排程法，CFS放棄了時間片的概念，保證在排程週期內都能分到的比例獲得執行機會
（2）CFS排程原理：是將CPU的使用權按比例分配給各就緒程序，據此算出各程序在一個排程週期內執行的時間。分配依據是程序負載權重。將每個設定為虛擬時鐘，用於程序計量程序已消耗的CPU時間。
（3）CFS的可執行佇列：當一個程序轉入就緒態後，核心將其插入紅黑樹中適當的位置；當一個程序被選為中執行，它的節點就在樹中摘去。
（4）CFS排程的實施：當一個普通程序就緒時，CFS排程器根據他的虛擬時鐘值插入到紅黑樹中。

CFS演算法

CFS排程演算法的核心思想是:虛擬執行時間，演算法認為，所有程序的虛擬執行時間相等時，才對所有的程序公平，這時說明cpu時間時按照程序的權重來平均分配的。所以每次都從排程樹中選擇一個虛擬執行時間最小的程序來執行。
程序切換的時機是：當前執行時間和理想執行時間比較，如果大於，說明程序佔用了過多的時間，需要懲罰，這時就選擇其他的程序來執行。

排程時機

1.當前程序放棄CPU,轉入睡眠、暫停或僵死態。
2.當前程序讓出CPU，轉入就緒態。
3.當前程序的時間片用盡。
4.有更高優先的程序就緒。

程序互斥與同步

互斥：禁止多個程序同時進入各自的訪問同一個臨界資源的臨界區，以保證對臨界資源的排他性使用。
同步：指程序間為合作完成一個任務而互相等待、協調步調。

程序通訊分類

從通訊的功能分類來分，可分為低階通訊和高階通訊兩類。
1.低階通訊：只是傳輸少量的資料，用於通知對方某個事件。低階用資訊、訊號量傳送方式。
2.高階通訊：可以用來在程序之間傳輸大量的資訊。高階用訊息、管道和共享記憶體。
通訊同步來分，可分為同步通訊與非同步通訊兩類。
1.通訊同步：是指通訊雙方程序共同參與整個通訊過程，步調協調地送和接收資料。傳輸方式：管道、共享記憶體。比如：打電話，雙方同時線上，才可通話。
2.非同步通訊：通訊雙方的聯絡比較鬆散，通訊的傳送方不必考慮對方的狀態，傳送完就繼續執行。傳輸方式：訊號、訊息。比如：發電子郵件不必關心對方是否何時接收。

1.訊號量：分為核心訊號和IPC訊號量。IPC訊號量是使用者態程序使用的同步與互斥機制。
2.訊號：是程序間可互相傳送的控制資訊，一般只是幾個位元組的資料，用於通知程序有某個事件發生。
3.管道：是連線兩個程序的一個數據傳輸通道，一個程序向管道寫資料，另外一個程序從管道讀資料，實現兩程序之間同步傳遞位元組流。
4.訊息佇列：訊息是結構化的資料，訊息佇列是由訊息連結而成的鏈式佇列。
5.共享記憶體：共享記憶體通訊方式就是在記憶體中開闢一段儲存區，將這個區對映到多個程序的地址空間中，使得多個程序共享這個記憶體區。

作業系統儲存管理

記憶體管理4種功能：

（1）儲存空間分配：為準備進入系統準備執行程序分配空間。記憶體回收：程序執行完成後，將其空間回收。
（2）儲存地址的變換：程式進入儲存後，必須把程式中的邏輯地址轉換為程式所有在實際記憶體地址，稱為地址變換，或稱地址對映。
（3）儲存空間的保護：確保每個程序都在自己的地址空間執行，尤其是不允許使用者程序訪問作業系統的儲存區域。
（4）儲存空間的擴充：借用外存空間來擴充套件記憶體空間，方法是讓程式的部分程式碼進入記憶體，需要時再調入記憶體。

段式儲存管理：程式的地址空間由若干大小不等的段組成。段是邏輯上完整的資訊單位，劃分是按照資訊的邏輯完整性及共享和保護。
頁式儲存管理：產生的記憶體碎片使記憶體地址不連續。頁式可以將存放不連續的儲存空間，使得記憶體每一個空閒的區域都可以被程式使用。

Linux頁故障及處理

頁故障：是指在CPU解析一個線性地址時發生異常中斷。引起也故障的原因主要有非法訪問和缺頁。
引起缺頁的原因有3種

1.該頁還沒有分配到頁幀。
2.該頁的頁幀已經被回收。
3.寫操作引發了寫時複製。

缺頁處理過程

(1）如果相應的頁表項還沒有設定(內容為全0)，表明該頁未分配過頁幀。此時將根據對映型別進行處理:如果是檔案對映，則為其分配一個新頁幀，然後呼叫虛存區操作集vm_ops中的 fault()函式，將頁面從檔案空間中讀入新頁幀;如果是匿名對映，就將其對映到核心中一個只讀的全0頁的頁幀。
(2）如果頁表項已存在但“存在位P”為0，說明該頁已被交換到交換區。這種情況將呼叫 do_swap_page()來處理，它根據頁表項中存放的交換地址在交換區中找到該頁，為其重新分配一個頁幀，將其從交換區讀入。
(3）如果頁表項存在，且頁表項的“存在位P”為1,“讀寫位R/W”為0，而觸發缺頁異常的標誌為寫操作，表示程序正試圖寫一個只讀頁。此時將呼叫寫時複製的處理函式do wp page()，將該頁複製到一個新頁幀中。

儲存擴充

（1）覆蓋技術：原理是將一個程式劃分為幾個模組。程式必要模組放在常駐記憶體，其餘模組共享一個或幾個儲存空間。它們平時駐留在外存中，在需要時才裝入記憶體，覆蓋暫時不用的模組。
缺點是:必須在程式設計時對程式進行模組劃分，並缺點模組之間的覆蓋關係。

（2）交換技術：在多個程式併發執行時，往往有一些程式因等待某事件而暫時不能執行。將不能執行的程式換到外存中，就可以獲得空閒記憶體空間，交換是以程序為單位進行交換。
優點：增加了併發執行程式數目，且對程式結構沒有要求。
缺點：對整個程序進行換人、換出操作需要花費大量的CPU時間。

（3）虛擬儲存器：上面兩種都不能稱為虛擬儲存，因為看到的還是實際大小。原理是：將程式的部分程式碼調入記憶體，其餘駐留外存空間中，在需要時呼叫入記憶體。儲存擴充也是最好的。

虛擬儲存器原理

虛擬儲存器：是用外存模擬記憶體，實現記憶體空間的擴充。方法是：在外存開闢一個儲存空間（磁碟空間），稱為交換區。進啟動時，只有部分程式程式碼進入記憶體，其餘駐留在磁碟中，需要的時候調入記憶體。
虛擬儲存器的實現技術主要有頁式虛存和段存虛存兩種。Linux採用頁式虛存技術，也是最常用。
頁式虛擬：就是在頁式儲存管理管理上加入以頁為單位的內外存空間的交換，來實現儲存空間擴充功能。