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Linux 综述

目录

1. Linux 内核系统结构
2. 系统调用
   • 进程管理
   • 内存管理
   • 文件管理
   • 异常处理和信号处理
   • 进程间通信
   • 网络通信

Linux 内核体系结构

Linux 内核可以分为六大块，分别是：

1. 系统调用子系统

   操作系统的功能调用的统一入口。

2. 进程管理子系统

   对执行的程序进行生命周期和资源管理。

3. 内存管理子系统

   对操作系统的内存进行管理、分配、回收、隔离。

4. 文件子系统

   对文件进行管理。

5. 设备子系统

   对输入输出设备进行管理。

6. 网络子系统

   网络协议栈和收发网络包。

系统调用

系统调用可以为了几块：进程管理、内存管理、文件管理、网络通信、进程间通信已经信号处理。

进程管理

创建进程的系统调用叫 fork，译为 "分支"。在 Linux 里，要创建一个新的进程，需要一个老的进程调用 fork 来实现，其中老的进程叫做父进程，新的进程叫子进程。当父进程调用 fork 创建进程的时候，子进程将各个子系统为父进程创建的数据结构也全部拷贝里一份，甚至连程序代码也是拷贝过来的。按理说，如果不进行特殊处理，父进程和子进程都按相同的程序代码进行下去，这样就没有什么意义了。

Linux 会根据 fork 系统调用的返回值来决定如何处理，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。这样就可以根据返回来来区分，如果是父进程，还接着做原来的事情，如果是子进程，需要请求另一个系统调用 execve 来执行另外一个程序，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。

有时候，父进程要关心子进程的运行情况，父进程可以调用一个系统调用 waitpid，将子进程的进程号作为参数传给它，这样父进程就知道子进程运行完了没有，成功与否。

内存管理

对于进程的内存空间来讲，放程序代码的这部分，称为代码段（Code Segment），放进程运行中产生数据的这部分，称为数据段（Data Segment）。其中局部变量的部分，在当前函数执行的时候起作用，当进入另一个函数时，这个变量就释放了；也有动态分配的，会较长时间保存，指明才销毁的，这部分称为堆（Heap）。堆里面分配内存有两个系统调用：brk 和 mmap。当分配的内存数据比较小的时候，使用 brk，分配内存数量比较大时，使用 mmap。

文件管理

对于文件的操作，有六个系统调用最重要了：open、close、creat、lseek、read、write。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，对应的系统调用即 read 和 write。

但是别忘了，Linux 里有一个特点，那就是一切皆文件。

启动一个进程，需要一个程序文件，这是一个二进制文件；启动的时候，要加载一些配置文件，例如 yml、properties 等，这是文本文件；启动之后会打印一些日志，如果写到磁盘上，也是文本文件；但是如果把日志打印到交互控制台上，这其实是标准输出 stdout 文件；这个进程的输出可以作为另一个进程的输入，这种方式称为管道，管道也是一个文件。进程可以通过网络和其他进程进行通信，建立的 Socket，也是一个文件；进程需要访问外部设备，设备也是一个文件；文件都被存储在文件夹里面，其实文件夹也是一个文件；进程运行起来，要想看到进程运行的情况，会在 /proc 下面有对应的进程号，还是一系列文件；

每个文件，Linux 都会分配一个文件描述符（File Descriptor），这是一个整数。有了这个文件描述符，就可以使用1调用，查看或者干预进程运行的方方面面。

所以说，文件操作是贯穿始终的，这也是 "一切皆文件" 的优势，就是统一了操作的入口，提供了极大的便利。

异常处理和信号处理

进程的运行不一定是一帆风顺的，很可能遇到各种异常情况，这时候就需要发送一个信号（Signal）给系统，经常遇到的信号有以下几种：

1. 在执行一个程序的时候，键盘输入 "CTRL+C"，这就是中断的信号，正在执行的命令就会中止退出。
2. 非法访问内存
3. 硬件故障
4. 用户进程通过 kill 函数，将一个用户信号发送给另一个进程

对于一些不严重的信号，可以忽略，但是像 SIGKILL（用于终止一个进程的信号）和 SIGSTOP（用于中止一个进程的信号）是不能忽略的，可以执行对于该信号的默认动作。每种信号都定义了默认的动作，例如硬件故障，默认终止；也可以提供信号处理函数，可以通过 sigaction 系统调用，注册一个信号处理函数。

进程间通信

首先就是发个消息，不需要一段很长的数据，这种方式称为消息队列（Message Queue）。可以通过 msgget 创建一个消息队列，msgsnd 将消息发送到消息队列，而消息接收方可以使用 msgrcv 从队列中取消息。

当两个进程间需要交互的信息比较大时，可以使用共享内存的方式，也就是两个进程共享同一块内存。可以通过 shmget 创建一个共享内存块，通过 shmat 将共享内存映射到自己的内存空间，然后就可以读写了。

但是，如果两个进程共同访问同一块内存空间，同时修改同一块数据，就存在数据竞争的问题了。为了让不同的进程能够排他的访问，这就是信号量的机制 Semaphore。

信号量机制比较复杂，但是可以简化为：对于只允许一个进程访问的数据，我们可以将信号量设为 1。当一个进程要访问的时候，先调用 sem_wait，如果这个时候没有进程访问，则占有这个信号量，该进程就可以开始访问了。如果这个时候又有另外一个进程要访问，也会调用 sem_wait。由于前一个进程已经在访问了，所有后面的进程就必须等待上一个进程访问完之后才能访问。当上一个进程访问完毕之后，会调用 sem_post 将信号量释放，于是下一个进程就可以访问这个资源了。

网络通信

不同机器通过网络相互通信，要遵循相同的网络协议，也即 TCP/IP 网络协议栈。Linux 内核里有对于网络协议栈的实现。如何暴露出服务给进程使用呢？

网络服务是通过套接字 Socket 来提供服务的，Socket 可以作为 "插口" 或 "插槽" 讲。虽然我们是写软件程序，但是你可以想象成弄一根网线，一头插在客户端，一头插在服务端，然后进行通信。因此，在通信之前，双方都要建立一个 Socket。

我们可以通过 Socket 系统调用建立一个 Socket，Socket 也是一个文件，也有一个文件描述符，也可以通过读写函数进行通信。

总结