20169219《linux内核原理与分析》第九周作业

网易云课堂学习

可执行程序的装载

可执行程序的产生过程：预处理-----> 编译 ----> 汇编 ----> 链接

以hello.c文件为例进行分析，编译步骤如下

vi hello.c
gcc -E -o hello.cpp hello.c -m32
vi hello.cpp
gcc -x cpp-outout -S -o hello.s hello.cpp -m32
vi hello.s
gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32
vi hello.o
gcc -o hello hello.o -m32
vi hello
gcc -o hello.static hello.o -m32 -static

结果如下图

编程使用exec*库函数加载一个可执行文件.

静态链接和动态链接的区别

动态库链接时，会在运行时选择需要的部分进行编译，生成的可执行文件会比较小，而且容易后续的更新。静态编译会把所有的函数等都嵌入到可执行文件中，可以直接在任何电脑上直接运行.在静态连接程序中，所有的程序代码包好在一个可执行模块中。因为库程序静态连接到应用程序中，库的引用效率更高。静态连接增加应用程序文件的大小，如果系统同时还运行其他的应用程序时，静态连接也会增加内存中代码的大小。

加载方式上：

1.静态库只能使用静态加载方式，静态加载就是编译、链接的时候把静态库代码拷贝到程序中。

2.动态库可以使用“静态加载”和“动态加载”，静态加载就是在程序启动的时候把库所有的内容加载到内存，动态加载就是用到哪个函数所在的模块就加载对应的库就行。（这是因为，动态库可能也很大，一口气全部加载也是非常耗时，所以运行时用到谁就加载谁，就是动态加载）。

静态库、共享库以及动态加载库

（1） 静态库

静态库是一些目标文件的集合，库文件以”.a”结尾，连接器会将应用程序所需要用到的代码拷贝到应用程序中.

静态库的优缺点：

静态库增加了应用程序的大小，另外在处理静态库更新问题上需要花费更多的重编译代价(recompile),但是理论上，静态库应该比共享库或者动态加载库运行更快(1-5%)，因为它减少了在程序运行才去加载库的开销。

（2） 共享库：

与静态库不同的是，共享库在链接阶段并不需要拷贝所需使用的代码，而只是做些参考标记，然后在程序启动时加载所需要的库文件，因此，对比静态库，链接共享库的应用程序小得多。

共享库的优缺点：

对比静态库，共享库在链接阶段只是对所需代码做些标识，在程序启动时才会加载，这样减少了目标应用程序的大小，通过soname，可以做到多版本的兼容，这样每次升级也不需要将原代码全部重新编译，免除了在升级过程中重编译带来的开销；但是，因为需要在程序运行阶段加载共享库，这样势必需要付出运行期间的库加载代价。

（3）动态加载库 （Dynamically loaded libraries）

是指在程序运行过程中可以加载的函数库，而不像共享库是在程序启动的时候加载。DLL对实现插件和模块非常实用，因为它们运行程序在允许时等待插件的加载，动态加载库有自己的一套API接口去完成打开、查找符号，处理出错、关闭加载库等功能。

进程的切换和系统的一般执行过程

不同类型的进程有不同的调度需求

第一种分类：

（1）I/O-bound

• 频繁的进行I/O
• 通常会话费很多时间等待I/O操作完成
  
  （2）CPU-bound
• 计算密集型
• 需要大量的CPU时间进行运算

第二种分类：

（1）批处理进程

• 不必与用户交互，通常在后台运行
• 不必很快响应
• 典型的批处理程序：编译程序、科学计算
  
  （2）实时进程
• 有实时需求，不必被低优先级的进程阻塞
• 响应时间要短、要稳定
• 典型实时进程：视频/音频、机械控制等
  
  （3）交互式进程
• 需要经常与用户交互，因此要花很多时间等待用户输入操作
• 相应时间要快，平均延迟要低于50-150ms
• 典型的交互式进程：shell、文本编辑程序、图形应用程序等

进程调度算法

（1）先进先出算法：

算法总是把处理机分配给最先进入就绪队列的进程，一个进程一旦分得处理机，便一直执行下去，直到该进程完成或阻塞时，才释放处理机。

（2）短进程优先

最短CPU运行期优先调度算法(SCBF--Shortest CPU Burst First)

该算法虽可获得较好的调度性能，但难以准确地知道下一个CPU执行期，而只能根据每一个进程的执行历史来预测。

（3）轮转法：

前几种算法主要用于批处理系统中，不能作为分时系统中的主调度算法，在分时系统中，都采用时间片轮转法。

简单轮转法：系统将所有就绪进程按FIFO规则排队，按一定的时间间隔把处理机分配给队列中的进程。这样，就绪队列中所有进程均可获得一个时间片的处理机而运行。

多级队列方法：将系统中所有进程分成若干类，每类为一级。

（4）多级反馈队列

多级反馈队列方式是在系统中设置多个就绪队列，并赋予各队列以不同的优先权。

Linux中进程的优先级是动态的，较长时间未分配到CPU的进程，优先级会升高；已经在CPU上运行了较长时间的进程，优先级会下降。

进程的调度时机与进程的切换

操作系统原理中介绍了大量进程调度算法，这些算法从实现的角度看仅仅是从运行队列中选择一个新进程，选择的过程中运用了不同的策略而已。

对于理解操作系统的工作机制，反而是进程的调度时机与进程的切换机制更为关键。

进程调度的时机

• 中断处理过程（包括时钟中断、I/O中断、系统调用和异常）中，直接调用schedule()，或者返回用户态时根据need_resched标记调用schedule()；
• 内核线程（特殊的进程，只有内核态没有用户态）可以直接调用schedule()进行进程切换，也可以在中断处理过程中进行调度，也就是说内核线程作为一类的特殊的进程可以主动调度，也可以被动调度；
• 用户态进程无法实现主动调度，仅能通过陷入内核态后的某个时机点进行调度，即在中断处理过程中进行调度。

进程的切换

• 为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上执行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行，这叫做进程切换、任务切换、上下文切换；
• 挂起正在CPU上执行的进程，与中断时保存现场是不同的，中断前后是在同一个进程上下文中，只是由用户态转向内核态执行；
• 进程上下文包含了进程执行需要的所有信息
• 用户地址空间：包括程序代码，数据，用户堆栈等
• 控制信息：进程描述符，内核堆栈等
• 硬件上下文（注意中断也要保存硬件上下文只是保存的方法不同）
• schedule()函数选择一个新的进程来运行，并调用context_switch进行上下文的切换，这个宏调用switch_to来进行关键上下文切换
• next = pick_next_task(rq, prev);//进程调度算法都封装这个函数内部
• context_switch(rq, prev, next);//进程上下文切换
• switch_to利用了prev和next两个参数：prev指向当前进程，next指向被调度的进程

使用gdb跟踪调用schedule函数

在time系统调用返回前，调用schedule()，在schedule设置断点：

Linux系统的一般执行过程

最一般的情况：正在运行的用户态进程X切换到运行用户态进程Y的过程

1. 正在运行的用户态进程X
2. 发生中断——save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack,then load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).
3. SAVE_ALL //保存现场
4. 中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch_to做了关键的进程上下文切换
5. 标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过因此可以从标号1继续执行)
6. restore_all //恢复现场
7. iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
8. 继续运行用户态进程Y

几种特殊情况

• 通过中断处理过程中的调度时机，用户态进程与内核线程之间互相切换和内核线程之间互相切换，与最一般的情况非常类似，只是内核线程运行过程中发生中断没有进程用户态和内核态的转换；
• 内核线程主动调用schedule()，只有进程上下文的切换，没有发生中断上下文的切换，与最一般的情况略简略；
• 创建子进程的系统调用在子进程中的执行起点及返回用户态，如fork；
• 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；

虚拟文件系统

虚拟文件系统中（VFS）有四个主要的对象类型

超级块对象：代表一个具体的已安装文件系统；

索引节点对象：代表一个具体文件；

目录项对象：代表一个目录项，是路径的一个组成部分；

文件对象：代表由进程打开的文件

块I/O层

块设备中最小的可寻址单元是扇区。扇区是设备的最小寻址单元；块是文件系统的最小寻址单元。块包含一个或多个扇区，但大小不能超过一个页面，所以一个页面可以容纳一个或多个内存的块。

目前内核中块I/O操作的基本容器由bio结构体表示，它代表了正在现场的（活动的）以片段链表形式组织的块I/O操作。

磁盘寻址是整个计算机系统中最慢的操作之一，所以尽量缩短寻址时间是提高系统性能的关键。

I/O调度程序通过两种方法减少磁盘寻址时间：合并和排序。

出现的问题

在使用gdb跟踪分析一个execve系统调用内核处理函数sys_execve的过程中，需要在执行exec命令的时候同时输出“hello world！”，需要修改Makefile文件里面的代码，使系统在执行exec命令的时候同时执行hello.c文件。



只需要把Makefile文件里的“cp hello ../rootfs/”这行代码去掉就能解决问题，但是我还是不理解具体原因。!