课程学习总结报告

linux操作系统上的一切操作都是进程对文件的操作

上面那句话的关键词是进程和文件操作，下面我们对这两个主题进行总结

一、进程

CPU上要么在执行一个进程，要么在发生进程上下文切换或中断上下文切换。进程执行时，我们关注对文件的操作，这将会在下一节进行讨论；本节我们讨论上下文切换。

1.进程函数调用栈

1. 每个用户态进程都有两个函数调用栈，一个用户态函数调用栈和一个内核态函数调用栈；
2. 中断没有独立的函数调用栈，中断会占有当前被中断的进程的内核栈来作为自己的函数调用栈。

2.中断

中断发生有两种情形。一种是进程处于用户态时被中断，另一种是在内核态中发生的中断嵌套。
第一种情形，需要将用户进程的上下文按照结构体 pt_regs 的格式保存在用户的内核栈中。步骤如下：

1. 硬件自动保存 ss, esp, eflags, cs 和 eip 这5个值；
2. 保存硬件出错码，如果没有硬件出错码的话会保存数值0；
3. 进入中断服务程序后，由 SAVE_ALL 指令保存 pt_regs 结构体中其余的值；
4. 中断处理完后，SAVE_ALL 指令保存的值由 RESTORE_ALL指令恢复，硬件保存的值由硬件恢复。

第二种情形的处理与第一种情形基本类似，唯一的区别是硬件无需保存 ss 和 esp 的值。第一种情形中断前后发生了栈的切换，所以要保存着两个值；而第二种情形中断前后一直处于内核栈中，所以无需保存这两个值。

3.进程调度和切换

进程进行切换时，保存当前进程现场的工作同中断的第一种情形。

内核会维护一个进程队列和一个可运行进程队列，每次调度都会从可运行队列中选择。

可运行队列又分为 active 队列和 expired 队列。当 active 队列不为空时，expired 队列中的进程没有机会被调度；当 active 队列为空时，active 队列和 expired 队列会互换。

linux按进程优先级对进程进行调度，进程优先级会动态变化。但是进程又分为实时进程和普通进程，实时进程的优先级永远高于普通进程，而且实时进程和普通进程之间隔着一道墙，两者不会互相转化。

实时进程被切换出去时不会进入过期队列。普通进程分交互式进程和非交互式普通进程，非交互普通进程被切换出去时会进入 expired 队列，交互式进程切换出去时，一般会进入 active 队列，但是当 expired 队列中的最高优先级比当前进程高，或者 expired 队列中的最古老进程等待时间超出某个阈值时，当前交互式进程会进入 expired 队列。

进程切换的实际总结如下：

1. 进程状态发生变化时
   处于运行态下的进程要等待某种资源
   运行态下的进程转入僵死态
   等待态的进程被唤醒后加入到可运行队列中
   运行态转入暂停态
   暂停态转入可运行态
2. 当前进程时间片用完时
3. 进程从系统调用返回到用户态时
4. 中断处理后，进程返回到用户态时

二、文件操作

linux对文件的操作进行了统一抽象，向上提供open, read, write, close等统一接口，这些统一接口会去找与特定文件相关的，存储在file_opration中的相关操作函数完成动作。
下面我们从相关结构体定义开始来进行深入分析。

相关结构体：

1. struct file_oprations: file_oprations结构体中都是一些函数指针。由于不同文件系统、不同设备文件（如块设备文件、字符设备文件）的读、写等操作都不同，所以每种类型的文件都要有相应的特定读写函数，这些函数的入口地址（函数指针变量）就存储在结构体file_oprations中。linux提供的统一接口最终调用的就是存储在file_oprations中的相应函数。
2. struct inode: 内核用一个inode结构体变量来表示一个存储在磁盘上的文件。
3. struct file: 一个file结构体变量表示一个在内存中打开的文件，系统会维护由所有file结构体变量串成的链表，称为系统打开文件表；进程会维护一个file*数组，称为进程打开文件表。一个文件只要在磁盘上，就会有一个inode变量与之对应；但是该文件只有被打开时，才会有一个file变量与之对应，而且当该文件关闭时，相应的file变量就会被释放。

从进程控制块 task_struct 开始，相应结构体变量的嵌套关系总结如下图，图中花括号右边的结构体变量嵌套在花括号左边的结构体变量中。

进程对文件的操作可以总结如下：

1. 进程通过进程控制块中的结构体变量 fs 可以在文件系统中定位到文件的位置；
2. 进程调用 open() 接口打开一个文件。打开文件会创建一个 file 结构体变量，并初始化 file 结构体中的 file_oprations 变量，也就是对文件的操作函数。创建完后会在数组 fd_array 中寻找下标最小的空槽，令其指向新创建的 file 变量，并返回这个槽的下标，也就是我们通常说的整型变量文件描述符(fd)；
3. 进程调用 read() 接口对文件进行读操作。read() 调用 sys_read()，sys_read()根据文件描述符参数 fd 在进程控制块的 fd_array 中找到表示打开文件的 file 变量，并调用 file 变量中的 file_oprations 变量里的相应读函数对文件进行读操作。写操作类似，不在赘述；
4. 进程调用 close() 接口关闭文件，并释放 file 变量。

下面给出一些代码片段，实际上就是上面终结的那张图的代码形式。

struct task_struct {
	...
	/* Filesystem information: */
	struct fs_struct		*fs;

	/* Open file information: */
	struct files_struct		*files;
	...
};

/*
 * Open file table structure
 */
struct files_struct {
	...
	struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
};

struct file {
	...
	struct inode		*f_inode;	/* cached value */
	const struct file_operations	*f_op;
	...
} __randomize_layout
  __attribute__((aligned(4)));	/* lest something weird decides that 2 is OK */

struct file_operations {
	struct module *owner;
	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	int (*iopoll)(struct kiocb *kiocb, bool spin);
	int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
	int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
	__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
	unsigned long mmap_supported_flags;
	int (*open) (struct inode *, struct file *);
	int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
	int (*release) (struct inode *, struct file *);
	int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
	int (*fasync) (int, struct file *, int);
	int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
	unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
	int (*check_flags)(int);
	int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
	ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
	int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
	long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
			  loff_t len);
	void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
	unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
	ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
			loff_t, size_t, unsigned int);
	loff_t (*remap_file_range)(struct file *file_in, loff_t pos_in,
				   struct file *file_out, loff_t pos_out,
				   loff_t len, unsigned int remap_flags);
	int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
} __randomize_layout;