本篇文章系統(tǒng)的給大家講述linux操作系統(tǒng)原理，這是一篇非常好的linux系統(tǒng)基礎(chǔ)教程，我們總結(jié)了相關(guān)的全部精選內(nèi)容，一起來(lái)學(xué)習(xí)下。

linux操作系統(tǒng)原理文字版

一.計(jì)算機(jī)經(jīng)歷的四個(gè)時(shí)代

1.第一代：

真空管計(jì)算機(jī)，輸入和輸出：穿孔卡片，對(duì)計(jì)算機(jī)操作起來(lái)非常不便，做一件事可能需要十幾個(gè)人去共同去完成，年份大概是：1945-1955。而且耗電量特別大，如果那個(gè)時(shí)候你家里有臺(tái)計(jì)算機(jī)的話，可能你一開(kāi)計(jì)算機(jī)你家的電燈泡亮度就會(huì)變暗，哈哈~

2.第二代：

晶體管計(jì)算機(jī)，批處理（串行模式運(yùn)行）系統(tǒng)出現(xiàn)。相比第一臺(tái)省電多了。典型代表是Mainframe。年份大概是：1955-1965。在那個(gè)年代：Fortran語(yǔ)言也就誕生啦~一門非常古老的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。

3.第三代：

集成電路出現(xiàn)，多道處理程序（并行模式運(yùn)行）設(shè)計(jì)，比較典型的代表就是：分時(shí)系統(tǒng)（把CPU的運(yùn)算分成了時(shí)間片）。年份大概是：1965-1980年左右。

4.第四代：

PC機(jī)出現(xiàn)，大概是從：1980年左右。相信這個(gè)時(shí)代典型人物代表：比爾蓋茨，喬布斯。

二.計(jì)算機(jī)的工作體系

雖然說(shuō)計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)了四個(gè)時(shí)代的演變，但是到今天為止，計(jì)算機(jī)的工作體系還是比較簡(jiǎn)單的。一般而言，我們的計(jì)算機(jī)有五大基本部件。

1.MMU（內(nèi)存控制單元，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分頁(yè)【memory page】）

運(yùn)算機(jī)制被獨(dú)立在CPU（計(jì)算控制單元）上，在CPU當(dāng)中有一個(gè)獨(dú)特的芯片叫MMU。他是用來(lái)計(jì)算進(jìn)程的線線地址和物理地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系的。它還用于訪問(wèn)保護(hù)的，即一個(gè)進(jìn)程先要訪問(wèn)到不是它的內(nèi)存地址，是會(huì)被拒絕的！

2.存儲(chǔ)器（memory）

3.顯示設(shè)備（VGA接口，顯示器等等）【屬于IO設(shè)備】

4.輸入設(shè)備（keyboard，鍵盤設(shè)備）【屬于IO設(shè)備】

5.硬盤設(shè)備（Hard dish control ，硬盤控制器或適配器）【屬于IO設(shè)備】

擴(kuò)充小知識(shí)：

這些硬件設(shè)備在一條總線上鏈接，他們通過(guò)這條線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，里面的帶頭大哥就是CPU，擁有最高指揮權(quán)。那么它是如何工作的呢？

A.取指單元（從內(nèi)存中取得指令）；

B.解碼單元（完成解碼[講內(nèi)存中取到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CPU真正能運(yùn)行的指令]）；

C.執(zhí)行單元（開(kāi)始執(zhí)行指令，根據(jù)指令的需求去調(diào)用不同的硬件去干活。）；

我們通過(guò)上面知道了MMU是CPU的一部分，但是CPU有還要其他的部件嗎？當(dāng)然是有的啦，比如指令寄存器芯片，指令計(jì)數(shù)器芯片，堆棧指針。

指令寄存器芯片：就是CPU用于將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)取出來(lái)存放的地方；

指令計(jì)數(shù)器芯片：就是CPU為了記錄上一次在內(nèi)存中取數(shù)據(jù)的位置，方便下一次取值；

堆棧指針：CPU每次取完指令后，就會(huì)把堆棧指針指向下一個(gè)指令在內(nèi)存中的位置。

他們的工作周期和CPU是一樣快的速度，跟CPU的工作頻率是在同一個(gè)時(shí)鐘周期下，因此他的性能是非常好的，在CPU內(nèi)部總線上完成數(shù)據(jù)通信。指令寄存器芯片，指令計(jì)數(shù)器芯片，堆棧指針。這些設(shè)備通常都被叫做CPU的寄存器。

寄存器其實(shí)就是用于保存現(xiàn)場(chǎng)的。尤其是在時(shí)間多路復(fù)用尤為明顯。比如說(shuō)CPU要被多個(gè)程序共享使用的時(shí)候，CPU經(jīng)常會(huì)終止或掛起一個(gè)進(jìn)程，操作系統(tǒng)必須要把它當(dāng)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)給保存起來(lái)（方便CPU一會(huì)回來(lái)處理它的時(shí)候可以繼續(xù)接著上次的狀態(tài)干活。）然后繼續(xù)運(yùn)行其他進(jìn)程（這叫計(jì)算機(jī)的上下文切換）。

三.計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系。

1.對(duì)稱多處理器SMP

CPU里面除了有MMU和寄存器（接近c(diǎn)pu的工作周期）等等，還有cpu核心，正是專門處理數(shù)據(jù)的，一顆CPU有多個(gè)核心，可以用于并行跑你的代碼。工業(yè)上很多公司采用多顆CPU，這種結(jié)構(gòu)我們稱之為對(duì)稱多處理器。

2.程序局部性原理

空間局部性：

程序是由指令和數(shù)據(jù)組成的?？臻g局部性指的是一個(gè)數(shù)據(jù)被訪問(wèn)到之后，那么離這個(gè)數(shù)據(jù)很近的其他數(shù)據(jù)隨后也可能會(huì)被訪問(wèn)到。

時(shí)間局部性：

一般而言當(dāng)一個(gè)程序執(zhí)行完畢后，可能很快會(huì)被訪問(wèn)到。數(shù)據(jù)也是同樣的原理，一個(gè)數(shù)據(jù)的被訪問(wèn)到，很可能會(huì)再次訪問(wèn)到。

正是因?yàn)槌绦蚓植啃缘拇嬖?，所以使得無(wú)論是在空間局部性或者時(shí)間的局部性的角度來(lái)考慮，一般而言我們都需要對(duì)數(shù)據(jù)做緩存。

擴(kuò)充小知識(shí)：

由于CPU內(nèi)部的寄存器存儲(chǔ)的空間有限，于是就用了內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但是由于CPU和速度和內(nèi)存的速度完全不在一個(gè)檔次上，因此在處理的數(shù)據(jù)的時(shí)候回到多數(shù)都在等（CPU要在內(nèi)存中取一個(gè)數(shù)據(jù)，cpu轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間就可以處理完，內(nèi)存可能是需要轉(zhuǎn)20圈）。為了解決使得效率更加提高，就出現(xiàn)了緩存這個(gè)概念。

既然我們知道了程序的局部性原理，有知道了CPU為了獲得更多的空間其實(shí)就是用時(shí)間去換空間，但是緩存就是可以直接讓cpu拿到數(shù)據(jù)，節(jié)省了時(shí)間，所以說(shuō)緩存就是用空間去換時(shí)間

3.就算進(jìn)存儲(chǔ)體系

工作時(shí)間就的朋友可能見(jiàn)過(guò)磁帶機(jī)，現(xiàn)在基本上都被OUT了，企業(yè)很多都用機(jī)硬盤來(lái)替代磁帶機(jī)了，所以我們這里就從我們最熟悉的家用電腦的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，存下到上一次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是不一樣。我們可以簡(jiǎn)單舉個(gè)例子，他們的周存儲(chǔ)周期是有很大差距的。尤為明顯的是機(jī)械硬盤和內(nèi)存，他們兩個(gè)存取熟讀差距是相當(dāng)大的。

擴(kuò)充小知識(shí)：

相比自己家用的臺(tái)式機(jī)或是筆記本可能自己拆開(kāi)過(guò)，講過(guò)機(jī)械式硬盤，固態(tài)硬盤或是內(nèi)存等等。但是可能你沒(méi)有見(jiàn)過(guò)緩存物理設(shè)備，其實(shí)他是在CPU上的。因此我們對(duì)它的了解可能會(huì)有些盲區(qū)。

先說(shuō)說(shuō)一級(jí)緩存和耳機(jī)緩存吧，他們的CPU在這里面取數(shù)據(jù)的時(shí)候時(shí)間周期基本上查不了多少，因一級(jí)緩存和二級(jí)緩存都在CPU核心內(nèi)部資源。（在其他硬件條件相同的情況下。一級(jí)緩存128k可能市場(chǎng)價(jià)格會(huì)買到300元左右，、一級(jí)緩存256k可能會(huì)買到600元左右，一級(jí)緩存512k可能市場(chǎng)價(jià)格就得過(guò)四位數(shù)這個(gè)具體價(jià)格可以參考京東啊。這足以說(shuō)明緩存的造價(jià)是非常高的！）這個(gè)時(shí)候你可能會(huì)問(wèn)那三級(jí)緩存呢？其實(shí)三級(jí)緩存就是就是多顆CPU共享的空間。當(dāng)然多顆cpu也是共享內(nèi)存的。

4.非一致性內(nèi)存訪問(wèn)（NUMA）

我們知道當(dāng)多顆cpu共享三級(jí)緩存或是內(nèi)存的時(shí)候，他們就會(huì)出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，即資源征用。我們知道變量或是字符串在內(nèi)存中被保存是有內(nèi)存地址的。他們是如何去領(lǐng)用內(nèi)存地址呢？我們可以參考下圖：

沒(méi)錯(cuò)，這些玩硬件的大牛們將三級(jí)緩存分割，分別讓不同的CPU占用不同的內(nèi)存地址，這樣我們可以理解他們都有自己的三級(jí)緩存區(qū)域，不會(huì)存在資源搶奪的問(wèn)題，但是要注意的是他們還是同一塊三級(jí)緩存。就好像北京市有朝陽(yáng)區(qū)，豐臺(tái)區(qū)，大興區(qū)，海淀區(qū)等等，但是他們都是北京的所屬地。我們可以這里理解。這就是NUMA，他的特性就是：非一致性內(nèi)存訪問(wèn)，都有自己的內(nèi)存空間。

擴(kuò)展小知識(shí)：

那么問(wèn)題來(lái)了，基于重新負(fù)載的結(jié)果，如果cpu1運(yùn)行的進(jìn)程被掛起，其地址在他自己的它的緩存地址是有記錄的，但是當(dāng)cpu2再次運(yùn)行這個(gè)程序的時(shí)候被CPU2拿到的它是如何處理的呢？

這就沒(méi)法了，只能從CPU1的三級(jí)換粗區(qū)域中復(fù)制一份地址過(guò)來(lái)一份或是移動(dòng)過(guò)來(lái)一份讓CPU2來(lái)處理，這個(gè)時(shí)候是需要一定時(shí)間的。所以說(shuō)重新負(fù)載均衡會(huì)導(dǎo)致CPU性能降低。這個(gè)時(shí)候我們就可以用進(jìn)程綁定來(lái)實(shí)現(xiàn)，讓再次處理該進(jìn)程的時(shí)候還是用之前處理的CPU來(lái)處理。即進(jìn)程的CPU的親緣性。

5.緩存中的通寫和回寫機(jī)制。

CPU在處理數(shù)據(jù)的地方就是在寄存器中修改，當(dāng)寄存器沒(méi)有要找的數(shù)據(jù)是，就會(huì)去一級(jí)緩存找，如果一級(jí)緩存中沒(méi)有數(shù)據(jù)就會(huì)去二級(jí)緩存中找，依次查找知道從磁盤中找到，然后在加載到寄存器中。當(dāng)三級(jí)緩存從內(nèi)存中取數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)三級(jí)緩存不足時(shí)，就會(huì)自動(dòng)清理三級(jí)緩存的空間。

我們知道數(shù)據(jù)最終存放的位置是硬盤，這個(gè)存取過(guò)程是由操作系統(tǒng)來(lái)完成的。而我們CPU在處理數(shù)據(jù)是通過(guò)兩種寫入方式將數(shù)據(jù)寫到不同的地方，那就是通寫（寫到內(nèi)存中）和回寫（寫到一級(jí)緩存中）。很顯然回寫的性能好，但是如果斷電的話就尷尬了，數(shù)據(jù)會(huì)丟失，因?yàn)樗苯訉懙揭患?jí)緩存中就完事了，但是一級(jí)緩存其他CPU是訪問(wèn)不到的，因此從可靠性的角度上來(lái)說(shuō)通寫方式會(huì)更靠譜。具體采用哪種方式得你自己按需而定啦。

四.IO設(shè)備

1.IO設(shè)備由設(shè)備控制器和設(shè)備本身組成。

設(shè)備控制器：集成在主板的一塊芯片活一組芯片。負(fù)責(zé)從操作系統(tǒng)接收命令，并完成命令的執(zhí)行。比如負(fù)責(zé)從操作系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)。

設(shè)備本身：其有自己的接口，但是設(shè)備本身的接口并不可用，它只是一個(gè)物理接口。如IDE接口。

擴(kuò)展小知識(shí)：

每個(gè)控制器都有少量的用于通信的寄存器（幾個(gè)到幾十個(gè)不等）。這個(gè)寄存器是直接集成到設(shè)備控制器內(nèi)部的。比方說(shuō)，一個(gè)最小化的磁盤控制器，它也會(huì)用于指定磁盤地址，扇區(qū)計(jì)數(shù)，讀寫方向等相關(guān)操作請(qǐng)求的寄存器。所以任何時(shí)候想要激活控制器，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序從操作系統(tǒng)中接收操作指令，然后將它轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)設(shè)備的基本操作，并把操作請(qǐng)求放置在寄存器中才能完成操作的。每個(gè)寄存器表現(xiàn)為一個(gè)IO端口。所有的寄存器組合稱為設(shè)備的I/O地址空間，也叫I/O端口空間，

2.驅(qū)動(dòng)程序

真正的硬件操作是由驅(qū)動(dòng)程序操作完成的。驅(qū)動(dòng)程序通常應(yīng)該由設(shè)備生產(chǎn)上完成,通常驅(qū)動(dòng)程序位于內(nèi)核中，雖然驅(qū)動(dòng)程序可以在內(nèi)核外運(yùn)行，但是很少有人這么玩，因?yàn)樗托世玻?/p>

3.實(shí)現(xiàn)輸入和輸出

設(shè)備的I/O端口沒(méi)法事前分配，因?yàn)楦鱾€(gè)主板的型號(hào)不一致，所以我們需要做到動(dòng)態(tài)指定。電腦在開(kāi)機(jī)的時(shí)候，每個(gè)IO設(shè)備都要想總線的I/o端口空間注冊(cè)使用I/O端口。這個(gè)動(dòng)態(tài)端口是由所有的寄存器組合成為設(shè)備的I/O地址空間，有2^16次方個(gè)端口，即65535個(gè)端口。

如上圖所示，我們的CPU有要想跟指定設(shè)備打交道，就需要把指令傳給驅(qū)動(dòng)，然后驅(qū)動(dòng)講CPU的指令轉(zhuǎn)換成設(shè)備能理解的信號(hào)放在寄存器中（也可以叫套接字，socket）.所以說(shuō)寄存器（I/O端口）是CPU通過(guò)總線和設(shè)備打交道的地址（I/O端口）。

擴(kuò)展小知識(shí)：

三種方式實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備的輸入和輸出：

A..輪詢：

通常指的是用戶程序發(fā)起一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核將其翻譯成一個(gè)內(nèi)核對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)的過(guò)程調(diào)用，然后設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)I/O,并在一個(gè)連續(xù)循環(huán)不斷中檢查該設(shè)備，并看該設(shè)備是否完成了工作。這有點(diǎn)類似于忙等待（就是cpu會(huì)用固定周期不斷通過(guò)遍歷的方式去查看每一個(gè)I/O設(shè)備去查看是否有數(shù)據(jù)， 顯然這種效率并不理想。）,

B..中斷：

中斷CPU正在處理的程序，中斷CPU正在執(zhí)行的操作，從而通知內(nèi)核來(lái)獲取中斷請(qǐng)求。在我們的主板通常有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)備，叫做可編程中斷控制器。這個(gè)中斷控制器可以通過(guò)某個(gè)針腳和CPU直接進(jìn)行通信，能夠出發(fā)CPU發(fā)生某個(gè)位置偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而讓CPU知道某個(gè)信號(hào)到達(dá)。中斷控制器上會(huì)有一個(gè)中斷向量（我們每一個(gè)I/O設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)，要想中斷控制器注冊(cè)一個(gè)中斷號(hào)，這個(gè)號(hào)通常是唯一的。通常中斷向量的每一個(gè)針腳都是可以識(shí)別多個(gè)中斷號(hào)的），也可以叫中斷號(hào)。

因此當(dāng)這個(gè)設(shè)備真正發(fā)生中斷時(shí)，這個(gè)設(shè)備不會(huì)把數(shù)據(jù)直接放到總線上，這個(gè)設(shè)備會(huì)立即向中斷控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求，中斷控制器通過(guò)中斷向量識(shí)別這個(gè)請(qǐng)求是哪個(gè)設(shè)備發(fā)來(lái)的，然后通過(guò)某種方式通知給CPU，讓CPU知道具體哪個(gè)設(shè)備中斷求情到達(dá)了。這個(gè)時(shí)候CPU可以根據(jù)設(shè)備注冊(cè)使用I/O端口號(hào)，從而就能獲取到設(shè)備的數(shù)據(jù)了。（注意，CPU是不能直接取數(shù)據(jù)的喲，因?yàn)樗皇墙邮盏搅酥袛嘈盘?hào)，它只能通知內(nèi)核，讓內(nèi)核自己運(yùn)行在CPU上，由內(nèi)核來(lái)獲取中斷請(qǐng)求。）舉個(gè)例子，一個(gè)網(wǎng)卡接收到外來(lái)IP的請(qǐng)求，網(wǎng)卡也有自己的緩存區(qū)，CPU講網(wǎng)卡中的緩存拿到內(nèi)存中進(jìn)行去讀，先判斷是不是自己的IP，如果是就開(kāi)始拆報(bào)文，最后會(huì)獲取到一個(gè)端口號(hào)，然后CPIU在自己的中斷控制器去找這個(gè)端口，并做相應(yīng)的處理。

內(nèi)核中斷處理分為兩步：中斷上半部分（立即處理）和中斷下半部分（不一定）。還是從網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)為例，當(dāng)用戶請(qǐng)求到達(dá)網(wǎng)卡時(shí)，CPU會(huì)命令講網(wǎng)卡緩存區(qū)的數(shù)據(jù)直接拿到內(nèi)存中來(lái)，也就是接收到數(shù)據(jù)后會(huì)立即處理（此處的處理就是將網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中而已，不做下一步處理，以方便以后處理的。），這個(gè)我們稱之為中斷的上半部分，而后來(lái)真正來(lái)處理這個(gè)請(qǐng)求的叫做下半部份

C.DMA：

直接內(nèi)存訪問(wèn)，大家都知道數(shù)據(jù)的傳輸都是在總線上實(shí)現(xiàn)的，CPU是控制總線的使用者，在某一時(shí)刻到底是有哪個(gè)I/O設(shè)備使用總線是由CPU的控制器來(lái)決定的?？偩€有三個(gè)功能分別是：地址總線（完成對(duì)設(shè)備的尋址功能），控制總線（控制各個(gè)設(shè)備地址使用總線的功能）以及數(shù)據(jù)總線（實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸）。

通常是I/O設(shè)備自帶的一個(gè)具有智能型的控制芯片（我們稱之為直接內(nèi)存訪問(wèn)控制器），當(dāng)需要處理中斷上半部分時(shí)，CPU會(huì)告知DMA設(shè)備，接下來(lái)總線歸DMA設(shè)備使用，并且告知其可以使用的內(nèi)存空間，用于將I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存空間中去。當(dāng)DMA的I/O設(shè)備將數(shù)據(jù)讀取完成后，會(huì)發(fā)送消息告訴CPU以及完成了讀取操作，這個(gè)時(shí)候CPU再回通知內(nèi)核數(shù)據(jù)已經(jīng)加載完畢，具體中斷下半部分的處理就來(lái)交個(gè)內(nèi)核處理了。現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)備都是用DMA控制器的，比如：網(wǎng)卡，硬盤等等。

五.操作系統(tǒng)概念

通過(guò)上面的學(xué)習(xí)，我們知道了的計(jì)算機(jī)有五大基本部件。操作系統(tǒng)主要就是把這五個(gè)部件給它抽象為比較直觀的接口，由上層程序員或者用戶直接使用的。那事實(shí)上在操作系統(tǒng)中被抽象出來(lái)的東西又該是什么呢？

1.CPU（time slice）

在操作系統(tǒng)中，CPU被抽象成了時(shí)間片，而后將程序抽象成進(jìn)程，通過(guò)分配時(shí)間片讓程序運(yùn)行起來(lái)。CPU有尋址單元用于來(lái)識(shí)別變量在內(nèi)存的中所保存的集體內(nèi)存地址。

而我們主機(jī)內(nèi)部的總線是取決于CPU的位寬（也叫字長(zhǎng)），比如32bit的地址總線，它能表示2的32次方個(gè)內(nèi)存地址，轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制就是4G內(nèi)存空間，這個(gè)時(shí)候你應(yīng)該就明白為什么32位的操作系統(tǒng)中只能識(shí)別4G內(nèi)存了吧？即使你的物理內(nèi)存是16G，但是可用的還是4G，所以，你如果發(fā)現(xiàn)你的操作系統(tǒng)能識(shí)別4G以上的內(nèi)存地址，那么你的操作系統(tǒng)一定就不是32位的啦！

2.內(nèi)存（memory）

在操作系統(tǒng)中，內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)虛擬地址空間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.I/O設(shè)備

在操作系統(tǒng)中，最核心的I/O設(shè)備就是磁盤，大家都知道磁盤是提供存儲(chǔ)空間的，在內(nèi)核中把它抽象成了文件。

4.進(jìn)程

說(shuō)白了，計(jì)算機(jī)存在的主要目的不就是運(yùn)行程序嗎？程序跑起來(lái)，我們統(tǒng)一叫進(jìn)程（我們暫時(shí)不用理會(huì)線程）。那如果多個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行就意味著把這些有限的抽象資源（cpu,memory等等）分配給多個(gè)進(jìn)程。我們把這些抽象資源統(tǒng)稱為資源集。

資源集包括：

1>.cpu時(shí)間；

2>.內(nèi)存地址：抽象成虛擬地址空間(如32位操作系統(tǒng)，支持4G空間，內(nèi)核占用1G空間，進(jìn)程也會(huì)默認(rèn)自己有3G可用，事實(shí)上未必有3G空間，因?yàn)槟愕碾娔X可能會(huì)是小于4G的內(nèi)存。)

3>.I/O:一切皆文件打開(kāi)的多個(gè)文件，通過(guò)fd（文件描述符，file descriptor）打開(kāi)指定的文件。我們把文件分為三類：正常文件、設(shè)備文件、管道文件。

每一個(gè)進(jìn)行都有自己作業(yè)地址結(jié)構(gòu)，即：task struct。其就是內(nèi)核為每個(gè)進(jìn)程維護(hù)的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是用來(lái)保存數(shù)據(jù)的，說(shuō)白了就是內(nèi)存空間，記錄著該進(jìn)程所擁有的資源集，當(dāng)然還有它的父進(jìn)程，保存現(xiàn)場(chǎng)【用于進(jìn)程切換】，內(nèi)存映射等待）。task struct模擬出來(lái)了線性地址，讓進(jìn)程去使用這些線性地址，但是它會(huì)記錄著線性地址和物理內(nèi)存地址的映射關(guān)系的。

5.內(nèi)存映射-頁(yè)框

只要不是內(nèi)核使用的物理內(nèi)存空間我們稱之為用戶空間。內(nèi)核會(huì)吧用戶空間的物理內(nèi)存切割成固定大小的頁(yè)框（即page frame），歡聚話說(shuō)，就是且更成一個(gè)固定大小的存儲(chǔ)單位，比默認(rèn)的單個(gè)存儲(chǔ)單元（默認(rèn)是一個(gè)字節(jié)，即8bit）要大.通常每4k一個(gè)存儲(chǔ)單位。每一個(gè)頁(yè)框作為一個(gè)獨(dú)立的單元向外進(jìn)行分配，且每一個(gè)頁(yè)框也都其編號(hào)?！九e個(gè)例子：假設(shè)有4G空間可用，每一個(gè)頁(yè)框是4K，一共有1M個(gè)頁(yè)框?！窟@些頁(yè)框要分配給不同的進(jìn)程使用。

我們假設(shè)你有4G內(nèi)存，操作系統(tǒng)占用了1個(gè)G，剩余的3G物理內(nèi)存分配給用戶空間使用。每一進(jìn)程啟動(dòng)之后，都會(huì)認(rèn)為自己有3G空間可用，但是實(shí)際上它壓根就用不完3G。進(jìn)程進(jìn)行寫入內(nèi)存是被離散存儲(chǔ)的。哪有空余內(nèi)存就往哪存取。具體的存取算法不要問(wèn)我，我也沒(méi)有研究過(guò)。

進(jìn)程空間結(jié)構(gòu)：

1>.預(yù)留空間

2>.棧（變量存放處）

3>.共享庫(kù)

4>.堆（打開(kāi)一個(gè)文件，文件中的數(shù)據(jù)流存放處）

5>.數(shù)據(jù)段（全局的靜態(tài)變量存放處）

6>.代碼段

進(jìn)程和內(nèi)存的存儲(chǔ)關(guān)系如下：

每個(gè)進(jìn)程空間都有預(yù)留空間，當(dāng)某個(gè)進(jìn)程發(fā)現(xiàn)自己打開(kāi)的數(shù)據(jù)已經(jīng)不夠用，它需要打開(kāi)一個(gè)新文件（打開(kāi)一個(gè)新文件就需要在進(jìn)程的地址空間存放數(shù)據(jù)），很顯然我們上圖的進(jìn)程地址空間是線性的并不是真正意義上的。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程真正去申請(qǐng)使用一個(gè)內(nèi)存時(shí)，需要向內(nèi)核發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用，由內(nèi)核在物理內(nèi)存上找一個(gè)物理空間，并告訴該進(jìn)程可以使用的內(nèi)存地址。比方說(shuō)進(jìn)程要在堆上打開(kāi)一個(gè)文件，它需要向操作系統(tǒng)（內(nèi)核）申請(qǐng)使用內(nèi)存空間，且在物理內(nèi)存允許的范圍內(nèi)（即請(qǐng)求的內(nèi)存需要小于空閑物理內(nèi)存），內(nèi)核會(huì)分配給該進(jìn)程內(nèi)存地址。

每一進(jìn)程都有自己想線性地址，這個(gè)地址是操作系統(tǒng)虛擬出來(lái)的，并不真實(shí)存在，它需要把這個(gè)虛擬地址和真正的物理內(nèi)存做一個(gè)映射關(guān)系，如圖“進(jìn)程和內(nèi)存的存儲(chǔ)關(guān)系”，最終的進(jìn)程數(shù)據(jù)的存放處位置還是映射到內(nèi)存中了。這就意味著，當(dāng)一個(gè)進(jìn)行跑到CPU上執(zhí)行時(shí)，它告訴CPU的是自己的線性地址，這時(shí)候CPU不會(huì)直接去找這個(gè)線性地址（因?yàn)榫€性地址是虛擬出來(lái)的，不真實(shí)存在，真正存放地址進(jìn)程的是物理內(nèi)存地址。），它會(huì)先去找這歌進(jìn)程的“task struct”，并裝載頁(yè)表（page table）[記錄著線性地址到物理內(nèi)存的映射關(guān)系，每一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系叫做一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)。]，以讀取到進(jìn)程的所擁有的線性地址所對(duì)應(yīng)的真正的物理內(nèi)存地址。

擴(kuò)展小知識(shí)：

CPU訪問(wèn)進(jìn)程的地址時(shí)，首先獲取到的是進(jìn)程的線性地址，它將這個(gè)線性地址交給自己的芯片MMU進(jìn)行計(jì)算，得到真正的物理內(nèi)存地址，從而達(dá)到訪問(wèn)進(jìn)程內(nèi)存地址的目的。換句話說(shuō)，只要他想要訪問(wèn)一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存地址，就必須經(jīng)過(guò)MMU運(yùn)算，這樣導(dǎo)致效率很低，因此他們有引進(jìn)了一個(gè)緩存，用于存放頻繁訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，這樣就可以提高效率，不用MMU進(jìn)行計(jì)算，直接拿到數(shù)據(jù)去處理就OK了，這個(gè)緩存器我們稱之為：TLB：轉(zhuǎn)換后援緩沖器(緩存頁(yè)表的查詢結(jié)果)

注意：在32bit的操作系統(tǒng)是線線地址到物理內(nèi)存的映射。而在64bit操作系統(tǒng)是恰恰相反的！

6.用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)

操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)為了呢能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)多任務(wù)，操作系統(tǒng)被分割成了2段，其中接近于硬件一段具有特權(quán)權(quán)限的叫做內(nèi)核空間，而進(jìn)程運(yùn)行在用戶空間當(dāng)中。所以說(shuō)，應(yīng)用程序需要使用特權(quán)指令或是要訪問(wèn)硬件資源時(shí)需要系統(tǒng)調(diào)用。

只要是被開(kāi)發(fā)成應(yīng)用程序的，不是作為操作系統(tǒng)本身的一部分而存在的，我們稱之為用戶空間的程序。他們運(yùn)行狀態(tài)稱之為用戶態(tài)。

需要在內(nèi)核（我們可以認(rèn)為是操作系統(tǒng)）空間運(yùn)行的程序，我們稱之他們運(yùn)行在內(nèi)核空間，他們運(yùn)行的狀態(tài)為用戶態(tài)，也叫核心態(tài)。注意：內(nèi)核不負(fù)責(zé)完成具體工作。在內(nèi)核空間可用執(zhí)行任何特權(quán)操作。

每一個(gè)程序要想真正運(yùn)行起來(lái)，它最終是向內(nèi)核發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用來(lái)完成的，或者有一部分的程序不需要內(nèi)核的參與，有我們的應(yīng)用程序就能完成。我們打個(gè)比方，你要計(jì)算2的32次方的結(jié)果，是否需要運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)呢？答案是否定的，我們知道內(nèi)核是不負(fù)責(zé)完成具體工作的，我們只是想要計(jì)算一個(gè)運(yùn)算結(jié)果，也不需要調(diào)用任何的特權(quán)模式，因此，如果你寫了一些關(guān)于計(jì)算數(shù)值的代碼，只需要把這個(gè)代碼交給CPU運(yùn)行就可以了。

如果一個(gè)應(yīng)用程序需要調(diào)用內(nèi)核的功能而不是用戶程序的功能的話，應(yīng)用程序會(huì)發(fā)現(xiàn)自己需要做一個(gè)特權(quán)操作，而應(yīng)用程序自身沒(méi)有這個(gè)能力，應(yīng)用程序會(huì)向內(nèi)核發(fā)申請(qǐng)，讓內(nèi)核幫忙完成特權(quán)操作。內(nèi)核發(fā)現(xiàn)應(yīng)用程序是有權(quán)限使用特權(quán)指令的，內(nèi)核會(huì)運(yùn)行這些特權(quán)指令并把執(zhí)行結(jié)果返回給應(yīng)用程序，然后這個(gè)應(yīng)用程序拿到特權(quán)指令的執(zhí)行結(jié)果后，繼續(xù)后續(xù)的代碼。這就是模式轉(zhuǎn)換。

因此一個(gè)程序員想要讓你的程序具有生產(chǎn)力，就應(yīng)該盡量讓你的代碼運(yùn)行在用戶空間，如果你的代碼大多數(shù)都運(yùn)行在內(nèi)核空間的話，估計(jì)你的應(yīng)用程序并不會(huì)給你打來(lái)太大的生產(chǎn)力喲。因?yàn)槲覀冎纼?nèi)核空間不負(fù)責(zé)產(chǎn)生生產(chǎn)力。

擴(kuò)充小知識(shí)：

我們知道計(jì)算機(jī)的運(yùn)行就是運(yùn)行指定的。指令還分特權(quán)指令級(jí)別和非特權(quán)指令級(jí)別。了解過(guò)計(jì)算機(jī)的朋友可能知道X86的CPU架構(gòu)大概分成了四個(gè)層次，由內(nèi)之外共有四個(gè)環(huán)，被稱為環(huán)0，環(huán)1，環(huán)2，環(huán)3。我們知道環(huán)0的都是特權(quán)指令，環(huán)3的都是用戶指令。一般來(lái)講，特權(quán)指令級(jí)別是指操作硬件，控制總線等等。

一個(gè)程序的執(zhí)行，需要在內(nèi)核的協(xié)調(diào)下，有可能在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)互相切換，所以說(shuō)一個(gè)程序的執(zhí)行，一定是內(nèi)核調(diào)度它到CPU上去執(zhí)行的 。有些應(yīng)用程序是操作系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，為了完成基本功能而運(yùn)行的，我們就讓他在后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行，這叫守護(hù)進(jìn)程。但是有的程序是用戶需要的時(shí)候才運(yùn)行的，那如何通知內(nèi)核講我們需要的應(yīng)用程序運(yùn)行起來(lái)呢？這個(gè)時(shí)候你就需要一個(gè)解釋器，它能和操作系統(tǒng)打交道，能夠發(fā)起指令的執(zhí)行。說(shuō)白了就是能夠把用戶需要的運(yùn)行請(qǐng)求提交給內(nèi)核，進(jìn)而內(nèi)核給它開(kāi)放其運(yùn)行所需要的有賴于的基本條件。從而程序就執(zhí)行起來(lái)了。

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