《Linux Kernel》第一章笔记
目录
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摘要
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回顾主要内容
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重点学习的内容
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- Kernel architecture
- Hard link / soft link
- Unix 文件类型
- Process/Kernel Model
- Kernel routines
- Process 的结构
- Inter process communication
- Virtual memory
- Virtual address space
- Device drivers
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小结
摘要
这篇文章主要总结我读的这本书的第一章的内容。距离上次写计划已经过了2周，因为写论文和懒，才读完Introduction这一章。在这里我主要（1）回顾第一章大概讲了什么内容，（2）记录哪些内容是我之前不太了解的，以便于后面重点学习。
回顾主要内容
这一章的主要内容包含以下三点：
- OS 的基本概念：主要从design的角度描述Unix/Linux的一些概念，比如进程，微内核，等等
- Unix 的文件系统：主要讲文件系统的概念
- Linux 内核概述：包含了OS的几大部分：
- CPU 的 User/Kernel mode
- 进程的实现，进程间的同步（synchronization）
- Inter process communication (IPC)
- 内存管理
- 硬件驱动
重点学习的内容
这里我把我不熟悉的每一个知识点作为一个小标题记录下来，按照这一章的顺序。
Kernel architecture
理论上kernel的架构分为 monolithic 和 micro kernel 两种。第一种架构是将所有的程序都载入到当前的 kernel 进程中运行。第二种是只将一些核心功能（例如 进程scheduler, 同步机制）载入进程，把其他功能（例如 内存allocator, 硬件驱动）在更高的一个layer与内核进行交互。
Linux采取了 module 这个设计。在 micro kernel 架构中，两层 kernel 之间通过message进行交互，会导致程序运行慢。Module 则不是单独的程序，而是编译好的 object file，可以在运行中与 kernel 进行 link。Module 通常包含硬件驱动等等“非核心的功能”。
Hard link / soft link
Unix中，一个文件可以有多个文件名。Hard link 指的是包含了 directory + filename 来指定一个文件的标识。Hard link 有两个缺点：一个是不能用来指定 directory，另一个是只能在同一个文件系统里有效。为了解决这个问题，Soft link (也叫 Symbolic link) 是 Unix中另一种标识。Soft link 本身也是一个文件，这个文件的内容是 另一个文件的 pathname 。Soft link非常灵活（我自己理解有点类似于“指针”的概念），所以这也带来了维护的问题。当一个文件所有的 hard link都被删除了，这个文件就会被删除，但它的 soft link 就指向了一个不存在的文件。
Unix 文件类型
我一直听说一个概念，“Unix里面一切都是文件”。所以文件的类型包括了：
- Regular file
- Directory
- Symbolic link
- Device file (block-oriented / character-oriented)
- Pipe and named pipe
- Socket
这里面很多内容我还不了解，特别是pipe, socket, device file这些内容，后面要专门学习。
Process/Kernel Model
Process/Kernel 模型指的是 Linux 执行程序的一种模式，即应用程序在Process中执行，而 Kernel 作为 process 的管理者。在process执行时，默认是user mode，在app调用系统OS资源时，在kernel mode中执行。在不同的 mode 下，CPU 的权限不同（CPU 在硬件上支持不同的模式，至少有这两种）。CPU 在 user 模式下不能出发某些 kernel 程序，不能访问一些 kernel 的数据结构，kernel 模式相反。 App 程序在执行 system call 的时候，CPU 的执行会从 user 到 kernel mode，且在完成服务后返回 user mode。
Kernel routines
Kernel routine 指的是 kernel 一些特定的功能，会在以下情况下出发：
- 一个 process 执行 system call
- CPU 在执行程序时产生了一个 exception，kernel routine 负责处理这个异常情况
- 一个设备出发了 interrupt，比如一个 I/O 操作完成，这时会被 interrupt handler 处理
- 一个程序在 kernel mode 下执行了一段 kernel routine
Process 的结构
一个进程在 Linux 中包含了以下成分：
- Program counter (PC) 和 stack pointer (SP）register
- General purpose register, floating point register
- processor control register
- Memory management register
Register在这里指的 CPU 中的寄存器。他们具体的结构我还不太清楚，但先不深入了解。
Inter process communication
这里的进程间通信应该是指 User mode 下的互相通信。Kernel 对用户 process 的通信是通过 signal （比如用户按下 ctrl-c，系统会对当前进程发送 SIGINT 信号）。用户之间的通信有很多种方法，比如 semaphores，shared memory，等等。这些方法由 kernel 管理，这些叫做 IPC resources。
Virtual memory
这个概念是OS基本概念，主要目的是为 user process 提供一个内存的抽象 。Abstraction 的好处很多，这里不说了。现在的 CPU 提供硬件上对 virtual memory 和物理 memory 转化的支持，主要是提供一个 page table 数据结构。一个 page 大概是 4 or 8 KB。整个系统中的 RAM 分为两部分：一个是 virtual memory system，另一个是 kernel image (大约几兆大小)。
Virtual address space
虚拟内存系统负责给每一个 process 分配一段 virtual address space，其中包含了所有的 process 需要的空间，包括：
- 程序代码
- 初始数据
- 初始堆（stack），栈（heap）
- link 的 library 的代码
Device drivers
Linux 的设备驱动是基于一个 Virtual File System 的架构。我理解和 memory 的管理类似，提供一层 abstraction，使 kernel 和特定的 hardware 低耦合，让实现更容易。下面是原文中的一个示意图。
小结
通过阅读第一章，基本上复习了一下操作系统的基础知识。这里记录了之前不是很清楚的一些概念，有 OS 通用的，也有 Linux 专有的。其中我认为最值得记住的地方有几个：（1）kernel不是一个进程，是在启动时载入RAM的一段代码，服务于进程；（2）进程管理和内存系统这些功能都是需要硬件支持的；（3）user mode 下的进程的数据结构，执行方式与 kernel mode 下有很多不同，以前作为 app 级编程并没有特别去了解一些功能是怎么实现的；（4）Abstraction 是系统设计的重要思想，需要经常回味，以后自己设计一些程序也可能会用到。