《Linux 内核设计的艺术》学习笔记
2022/11/16：感觉这种大砖头书一刷不太够，经常看不懂，回头再二刷……
第一章：从开机到执行 main.c
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开机上电硬件启动 BIOS（此时为 16 位实模式
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BIOS 执行：
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加载中断向量表和中断服务程序
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调中断 int 0x19 加载第一扇区 bootsect.s（引导程序）
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加载四个扇区和扇区内容到内存
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bootsect.s 执行：
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调中断 int 0x13 加载 setup.s 程序到内存
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调中断 int 0x13 加载 system.s 程序到内存
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setup.s 执行：
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读机器系统数据
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关中断，将 system 移动到内存起始（覆盖 BIOS 中断 ）
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设置中断描述符表和全局描述符表，将专用寄存器（IDTR, GDTR）指向表
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打开 A20 实现 32 位寻址
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重编程两块 8259 芯片将 CPU 工作模式设为保护模式
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head.s 执行：
- 将寄存器转换为保护模式，设置页表，跳入 main.c 程序
第二章：从 main.c 到怠速
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main.c 执行：
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设置进程管理数据结构，如进程槽 task[]，进程的 task_struct 等
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复制根设备号、硬盘参数表
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根据物理内存大小规划使用
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设置外设虚拟盘
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初始化内存管理结构
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挂接异常处理中断
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准备使进程 0 能在 32 位保护模式下工作
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初始化块设备请求项管理 request[]
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挂接串行口、键盘、显示器中断
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设置开机启动时间
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创建进程 0
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进程 0 执行：
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挂接进程 0 的数据结构和全局描述符表
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设置时钟中断
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挂接 system_call 和中断描述符表
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从内核态转换到用户态，调用 fork() 函数创建进程 1
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在进程槽 task[] 为进程 1 申请空间
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复制进程信息、管理结构 task_struct 到进程 1
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设置进程 1 的线性地址空间、物理页面
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调用系统中断 pause() 切换到进程 1
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进程 1 执行：
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设置硬盘管理相关数据结构
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用虚拟盘代替软盘作为根设备
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用虚拟盘中的数据加载根文件系统
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从虚拟盘读取根文件系统的超级块，加载到超级块管理结构
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虚拟盘中读 i 节点，加载到 i 节点管理结构
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进程 1 执行：
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挂接进程 1 task_struct 的 filp[0] 和文件管理结构 file_table[0]
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解析
/dev/tty文件路径 -
找到 dev 目录的 tty0，载入 i 节点表中
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复制文件句柄建立关系，设定标准终端输出设备为 tty0
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进程 1 调用 fork() 函数创建进程 2
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发生时钟中断，中断返回，切换到进程 2
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进程 2 执行：
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为 shell 程序的执行做配置、环境准备（检测 shell 程序所在文件、调整进程 2 管理信息、地址值，调整 shell 程序第一条指令）
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执行 shell 第一条指令，引发缺页中断
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将 shell 程序载入新页
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shell 进程执行：
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创建新进程 update
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执行
/etc/rc文件 -
调用 exit() 退出，切换去执行 update 进程
update 进程的主要任务是定期同步缓冲区和外设，因为 Linux 默认写操作是先写缓冲区再定期写回外设
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重建 shell 进程
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两次创建的区别：第一次 file[0] 挂载普通文件
/etc/rc，第二次挂载 tty0 -
自此操作系统支持用户和计算机交互
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第三章：安装文件系统
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用户在 shell 输入
mount /dev/hd1 /mnt开始安装文件系统 -
系统调用 sys_mount() （代码见
/fs/super.c）执行：-
获取硬盘设备号、获取虚拟盘挂接点
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获取设备文件超级块，载入到超级块管理结构 super_block[8]
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挂接硬盘设备文件超级块和 mnt 目录文件指定的 i 节点
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第四章：文件操作
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文件系统的数据结构：
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事先把硬盘存储空间人为分成 1KB 的块
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用 i 节点数据结构管理属于同一个文件的所有块，i 节点和文件 1:1 映射
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用 i 节点位图管理 i 节点的使用情况
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用逻辑块位图管理硬盘块使用情况
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用超级块管理上述 3 种数据结构
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使用方式：
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找硬盘空闲块：超级块
->逻辑块位图->数据块 -
找文件数据块：超级块
->i 节点位图->i 节点表中的 i 节点->数据块
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第五章：用户进程和内存管理
用户进程的运行
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创建：
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调用 fork() 函数，产生 int 0x80 软中断，执行 sys_fork 系统调用
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再用 find_empty_process() 函数申请进程号和进程槽空位
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copy_process() 函数复制原进程信息（管理结构、文件结构）并调整当前进程的管理结构
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copy_mem() 函数复制原进程页表
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copy_process() 函数关联新进程和全局描述符表 GDT
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最后 copy_process() 函数将新进程设为就绪态
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加载：
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调用 execve() 函数进行准备，包括 i 节点读取、参数、环境变量、栈指针，对进程管理结构进行调整，设置 EIP 使进程真正开始执行
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根据代码需要，在后续执行、加载程序时产生缺页中断，申请新页面并加载要读取的代码
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退出：
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调用 exit() 函数（映射到系统调用 sys_exit() 函数）
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进程自身释放进程代码和数据占用的物理内存，解除进程和可执行文件间的关系
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释放进程管理结构 task_struct 占用的物理内存，退出进程槽
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多个用户进程在内存中如何同时工作？
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任何时间都只有一个进程执行，一个进程执行完会调用 shedule() 函数进行切换
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Linux 页写保护实现：父子进程需要写同一个共享页面时，系统会在主内存申请空闲页面做备份供父进程和子进程分别使用（un_wp_page() 函数）
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用户进程和内核的隔离：内核中限制了用户进程的线性地址空间只能在 64MB 到 4GB 的范围，不能进入物理内存 0~16MB 的区域。
第六章：多个进程同时操作文件
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n 个进程操作同一个文件：
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进程打开文件时调用 open() 函数
- open() 函数映射到 sys_open() 函数，该函数会在 file_table 申请空闲表项目，让进程管理结构和文件 i 节点挂接
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进程读取文件时调用 read() 函数
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read() 函数映射到 sys_read() 函数，最后调 bread() 读一个数据块进缓冲区
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读进缓冲区时调用 wait_on_buffer() 函数挂起这个进程，如果缓冲块已经加锁则进入 sleep_on() 函数，让该进程进入不可中断等待态
调度策略可参考 进程管理：一文读懂Linux内核中的任务间调度策略 ，代码实现看 schedule() 函数和
/kernel/shed.c的 sleep_on() 函数
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进程能直接将数据写入缓冲块的充要条件：缓冲块空闲且没有未写回硬盘的脏数据
- 如果有空闲但未写回的数据，就会先写回
第七章：管道、信号机制
管道
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代码可见
/fs/pipe.c -
允许两个进程同时操作一个内存页面，一个写入一个读出
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本质是一块被操作系统按文件管理的内存页面
信号
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类似于局部的中断，在进程执行时，一旦其他进程接受到信号，就先暂停去执行这个进程的信号处理
- 发送信号的两种方式：
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调用特定库函数 signal()
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用户产生键盘中断
原理都是设置 task_struct 中的成员 signal，signal 按位存储每个进程接收到的信号
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- 操作系统检测信号的两种方式：
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在系统调用返回之前检测
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在时钟中断产生后检测
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- 发送信号的两种方式：
第八章：操作系统的设计指导思想
主从机制：操作系统和应用程序/操作系统内核和用户进程之间的关系，需要严格约束特权级和边界，进程就是接受操作系统组织、管理、协调的程序
