趣谈linux学习

linux

学习地址

极客时间·趣谈linux

入门

自我测验

测试题1

测试题2

测试题3

测试题4

答案：

  1. A,B,C,D
  2. A,B (实模式下运行， 操作系统启动好像就只有刚开始是实模式, 流程不清楚）
  3. B ()
  4. A,B,C,D
  5. 不会

linux 学习六个坡

  • 熟练使用linux命令
  • 使用linux进行程序设计
  • 了解linux内核机制
  • 阅读linux源码
  • 实验定制linux组件
  • 落到生产实践

linux综述

电脑零件

电脑零件

外包公司业务和linux子系统对应

linux子系统

子系统：

  • 系统调用
  • 进程管理
  • 内存管理
  • 文件
  • 设备
  • 网络

基础几个系统调用

  • fork ： 创建进程 （ 由 父进程 调用fork 创建 子进程， 子进程拷贝父进程 ） - 所有会有一个祖宗进程
1
2
3
4
fork 返回值：如果当前进程是子进程，就返回 0；如果当前进程是父进程，就返回子进程的进程号。
这样首先在返回值这里就有了一个区分，然后通过 if-else 语句判断，如果是父进程，还接着做原来应该做的事情；
如果是子进程，需要请求另一个系统调用execve来执行另一个程序，
这个时候，子进程和父进程就彻底分道扬镳了，也就产生了一个分支（fork）了。
  • 分配内存的系统调用，brk 和 mmap
1
2
当分配的内存数量比较小的时候，使用 brk
当分配的内存数量比较大的时候，使用 mmap，会重新划分一块区域
  • 对文件操作的系统调用 - 最重要的：open, close, create, lseek, read, write
1
2
3
4
5
6
对于已经有的文件，可以使用open打开这个文件，close关闭这个文件；
对于没有的文件，可以使用creat创建文件；
打开文件以后，可以使用lseek跳到文件的某个位置；
可以对文件的内容进行读写，读的系统调用是read，写是write

linux中 一切皆文件 - 优势： 统一操作入口

系统初始化

开放架构

  • 计算机核心： CPU
  • CPU和其他设备的连接： 总线（Bus）
  • 设备中最重要的是： 内存

  • CPU

    • 运算单元： 只管计算
    • 数据单元： 内部缓存和寄存器， 暂时存放数据和运算结果
    • 控制单元： 获得下一条指令，然后执行这条指令。 有一个 指令指针寄存器 ，它里面存放的是下一条指令在内存中的地址

  • 总线

    • 地址总线： 我想拿内存中哪个位置的数据
    • 数据总线： 真正的数据

  • 总线标准
    总线标准

8086 原理

8086原理

  • 通用寄存器 （8个 16位 ） - CPU数据单元
    • AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。这些寄存器主要用于在计算过程中暂存数据。 （其中 AX、BX、CX、DX 可以分成两个 8 位的寄存器来使用）
  • CPU控制单元
    • IP 寄存器就是指令指针寄存器（Instruction Pointer Register)，指向代码段中下一条指令的位置
    • CS 就是代码段寄存器（Code Segment Register），通过它可以找到代码在内存中的位置
    • DS 是数据段的寄存器，通过它可以找到数据在内存中的位置。
    • SS 是栈寄存器（Stack Register）。栈是程序运行中一个特殊的数据结构，数据的存取后进先出，push入栈，pop出栈

32位处理器： 80386

总线从16位变为32位， 地址位从20位变为32位

32位处理器兼容

  • 数据单元通用寄存器， 指令指针寄存器 扩展后仍然兼容
  • 但段寄存器不兼容： 原先16位总线询20位地址，是通过左移四位达到目的，段的起始地址只能是16的整除地址
    • 现在32位总线询32位地址，无所谓左移，32位4G内存都能访问到。
    • 段的起始地址放在内存的某个地方。这个地方是一个表格，表格中的一项一项是段描述符（Segment Descriptor）。这里面才是真正的段的起始地址。而段寄存器里面保存的是在这个表格中的哪一项，称为选择子（Selector）

段寄存器 寻址 不兼容咋办？

  • 模式切换: 不能无缝兼容，通过模式切换兼容
    • 实模式： 当系统刚刚启动的时候，CPU 是处于实模式的，这个时候和原来的模式是兼容的
    • 保护模式： 切换到保护模式，就能够用到 32 位 CPU 更强大的能力

从BIOS 到 bootloader

BIOS

  • BIOS
    • ROM（Read Only Memory，只读存储器）
    • 内存 RAM（Random Access Memory，随机存取存储器
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
主板上有部分为 ROM： 固化了一些初始化的程序，就是 BIOS （Basic Input and Output System，基本输入输出系统）

内存地址空间： 在 x86 系统中，将空间最上面的 0xF0000 到 0xFFFFF 这 64K 映射给 ROM ， 到这部分地址访问的时候，会访问 ROM

当电脑刚加电的时候，会做一些重置的工作
    将 CS 设置为 0xFFFF，将 IP 设置为 0x0000，所以第一条指令就会指向 0xFFFF0，正是在 ROM 的范围内。
    在这里，有一个 JMP 命令会跳到 ROM 中做初始化工作的代码，于是，BIOS 开始进行初始化的工作。
    
BIOS：  检查硬件是否完好，  建立一个中断向量表和中断服务程序

bootloader

1
BIOS 寻找 操作系统， 操作系统在硬盘上，BIOS寻找启动盘， 一般在第一个扇区，占 512 字节，而且以 0xAA55 结束

linux系统加载流程

1
2
3
4
5
6
7
8
在Linux 里面有一个工具，叫 Grub2,  就是搞系统启动

  1. grub2 第一个要安装的就是 boot.img, 由 boot.S 编译而成，一共 512 字节，正式安装到启动盘的第一个扇区。
        这个扇区通常称为 MBR（Master Boot Record，主引导记录 / 扇区）。
        BIOS 完成任务后，会将 boot.img 从硬盘加载到内存中的 0x7c00 来运行。
  2. boot.img 字节少，做不了太多事， 主要是加载 grub的另一个镜像 core.img 
        首先加载 core的第一个扇区，diskboot.img, 控制权从boot到diskboot， 加载core的其他镜像， kernel是grub的内核
        实模式1M空间太小， lzma_decompress会从 实模式 切换到 保护模式

  • 实模式 切换到 保护模式 工作

    1. 启用分段，就是在内存里面建立段描述符表，将寄存器里面的段寄存器变成段选择子，指向某个段描述符，这样就能实现不同进程的切换了
    2. 启动分页。能够管理的内存变大了，就需要将内存分成相等大小的块
    3. 打开 Gate A20, 8086下是20根地址总线， 到保护模式下， 打开第21根总线，开始工作

  • 总结流程

1
BIOS -》引导扇区 boot.img -》 diskboot.img -》 lzma_decompress.img 实模式切换到保护模式 -》 kernel.img 选择操作系统 -》 启动内核

内核初始化

  1. 初始进程， 系统创建的第一个进程， 0号进程
  2. 中断门， 处理各种中断（系统调用）
  3. 内存管理模块， 调度模块
  4. 文件系统

  • 1号进程的初始化， 将运行一个用户进程。 有了 内核， 用户 的区分

    • 权限机制：x86将权限分为四个Ring
    • linux使用了 Ring0作为内核态， Ring3作为用户态
    • 系统调用执行 init文件， 内部回复寄存器，指针指向用户态， 进入用户态
    • 用户态祖先进程

  • 2号进程

    • 内核态的进程也应有一个人统一管理起来， 内核态祖先进程
    • 从内核态来看，无论是进程，还是线程，我们都可以统称为任务（Task），都使用相同的数据结构，平放在同一个链表中

系统调用

glibc 对系统调用的封装

Linux 提供了 glibc, 里面是系统调用的细节，封装成更加友好的接口。可以直接用

1
glibc 算是 办事大厅的中介

进程管理

多进程

写代码：用系统调用创建进程

  • 写代码： .h 或 .c 文件， 使用fork系统调用
  • 编译：
    • 结果： 程序的二进制文件 （格式： ELF - Executeable and Linkable Format，可执行与可链接格式 ）
    • 过程：

编译过程