Linux操作系统分析--课程总结报告

一、结合虚拟化技术分析Linux系统的一般执行过程

1.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

当然还有几个特殊的情况：

1）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；
2）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；
3）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；
4）加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；

2.虚拟化技术在linux执行过程中的应用

虚拟机技术在linux执行过程中起着非常重要的作用，其中主要涉及到虚拟机管理器以及虚拟机中断。

（1）虚拟机管理器

虚拟机管理器（VMM）是一种软件程序，用于实现虚拟化技术，将物理服务器分割为多个虚拟服务器，并控制它们的运行。下面是虚拟机管理器的一些功能：硬件资源管理、虚拟机配置、虚拟机监控、虚拟机间通信、安全性和隔离性。

（2）虚拟机中断

物理外设产生虚拟中断流程：

外设中断信号（Hypervisor已经将其配置成虚拟中断）到达GIC；

GIC Distributor将该物理IRQ发送至CPU；

CPU trap到Hyp模式，此时将会退出Guest OS的运行，并返回到Host OS；

Host OS将响应该物理中断，也就是Host OS驱动响应外设中断信号；

Hypervisor往List Register写入虚拟中断，Virtual CPU interface将virtual irq信号发送至vCPU；

CPU将处理该异常，Guest OS会从Virtual CPU Interface读取中断状态进行响应；

虚拟外设产生虚拟中断流程：

Qemu模拟外设，通过irqfd来触发Hypervisor进行中断注入；

Hypervisor往List Register写入虚拟中断，Virtual CPU interface将virtual irq信号发送至vCPU；

CPU将处理该异常，Guest OS会从Virtual CPU Interface读取中断状态进行响应；

irqfd提供了一种机制用于注入虚拟中断，而这个中断源可以来自虚拟外设；

irqfd是基于eventfd的机制来实现的，用于用户态与内核态，以及内核态之间的事件通知；

事件源可以是虚拟设备，比如VFIO框架等。

二、课程总结

我是一名跨专业的学生，之前对linux的了解可能仅仅停留在纸面上，仅仅是会用一些简单的指令，通过这两个月的linux操作系统课程的学习，我对linux系统的执行过程又有了深入的理解，也学会了如何用qemu调试linux内核，面对一堆很复杂的源码也有头绪可以一步一步的读下去了。通过阅读源码以及和老师上课以及ppt上知识点结合的方式，我逐渐明白了linux系统设计的巧妙之处，明白了各个功能是如何分工协作的，这也让我对于一个大型工程项目有了一个更宏观的认识，也让我对于linux的学习更加感兴趣了，即使课程结束了我也会不断的了解更多的新知识，也会用到在这门课上学到的各种学习方法，这也正是课程的意义所在。