linux系统篇 -- 一、系统概要

文章目录

一、linux 系统概要
- 1. 程序
- - 1.1 进程
  - 1.2 应用程序与外部设备
- 2. 设备驱动程序
- 3. linux 的工作模式
- 4. linux 系统调用(system call)
- - 4.1 深入理解系统调用
  - 4.2 strace
  - 4.3 track 常用选项

linux 系统相关知识, 文章内容来自狄泰软件学院, 如有需要淘宝执自行购买学习.

作者: baron

一、linux 系统概要

计算机系统由 “躯体” 和 “灵魂” 两部分组成

躯体：构成计算机系统的电子设备(硬件) --> 中央处理器(CPU)
灵魂：指挥躯体完成动作的指令序列 --> 操作系统(OS)

计算任务执行流程

通过交互设备或网络像计算机系统发起计算请求
根据请求将任务指令加载进入内存
cpu 从内存中取指令，并逐条执行
计算任务的最终结果暂存入内存
内存数据通过交互设备或网络进行反馈(也可直接写入外存)

1. 程序

程序的本质是指令和数据的集合。指令是指示 cpu 执行动作的命令，数据是 cpu 执行动作的目标. 程序的分类：

应用程序：用户可以直接使用，为用户提供直接帮助的程序
程序中间件：多数应用程序的通过功能，用于辅助应用程序的运行
操作系统：直接操作硬件设备，并为应用程序与程序中间件提供运行环境

1.1 进程

进程是程序的执行. 通常情况下, 程序在操作系统上以进程为单位运行. 每个程序运行后由一个或者多个进程构成. 进程是操作系统任务的基本单元, 也是系统资源的基本分配单元. 程序是"死的", 进程是活的. 程序的本质只是二进制数据, 不加载执行就没有任何价值. 进程是计算机系统对程序的一次加载执行, 即:执行计算任务的过程.

1.2 应用程序与外部设备

多数情况下,应用程序需要借助外部设备才能外层计算任务. 外部设备是处cpu与内存之外的其他计算机硬件(如: 硬盘, 网卡, 显卡). 直接访问, 开发成本高, 应用开发者必须熟悉各类外设的硬件特性. 开发周期长, 业务逻辑加设备逻辑. 应用场景难, 其他应用程序可能同事访问外设. 间接访问, 应用程序通过某软件层(驱动程序)接口以统一的方式访问外设.

2. 设备驱动程序

设备驱动程序是外设访问接口, 对应用程序提供统一的外设访问方式. 它象各种外设的共性, 简化设备驱动开发方式. 设备类型有字符设备, 块设备, 网络设备, 等. 对于同一类型的设备, 可以通过统一接口进行访问. 设备驱动程序并非唯一的访问外设的方式. 如何限制进程必须按照规则通过驱动程序访问外部设备? 可以通过工作模式进行限制.

3. linux 的工作模式

linux 系统的工作模式有用户模式和内核模式两种:

用户模式(user mode)执行应用程序私有代码, 受限制的访问内存, 无法直接访问外部设备.
内核模式执行内核代码,可以访问所有的硬件资源, 可立即暂停进程的执行.对大多数设备驱动程序属于内核模式.

内核职责: 以统一的方式有序的分配硬件资源, 保证用户任务按照预期的方式执行.

4. linux 系统调用(system call)

应用程序与操作系统内核直接的接口(表现形式为函数). 系统调用决定了应用程序如何与内核打交道.它解决了以下问题

系统资源有限, 需要统一有序的调配.
多个进程可能同时访问同一资源, 进而产生冲突.
一些特定的功能必须由操作系统内核完成(如: 精确延时).

进程系统调用后, 由用户模式切换到内核模式(执行内核代码). 工作模式的转变通常由中断触发(不同于普通的函数调用). 用户进程通过系统调用请求内核完成资源分配, 硬件访问等操作. 所有进程请求集中到内核, 内核可以统一调度处理, 协调进程的执行.

4.1 深入理解系统调用

模式切换是系统调用的本质, 系统模式切换依赖于 cpu 提供的工作方式, 一般来说, 大部分 cpu 至少有两种工作方式.

高特权级, 可以访问任意数据, 包括外围设备, 比如网卡, 硬盘等.
低特权级, 只能首先访问内存, 并且不允许访问外围设备, 可被打断.

系统模式切换通过执行特殊的 cpu 指令发起(int 0x80). 应用程序(进程)无法直接切换 cpu 的工作方式. 系统调用是应用程序(进程)请求模式切换的唯一方式.下面实例使用系统调用打印字符串

void print(const char*s, int l);
void exit(int code);void program()
{print("Hello World!\n", 13);exit(0);
}// 使用系统调用打印字符串
void print(const char*s, int l)
{asm volatile ("movl $4, %%eax\n" // 制定编号为 4 的系统调用(sys_wirte)"movl $1, %%ebx\n" // 指定 sys_write 的输出目标, 1 为标准输出"movl %0, %%ecx\n" // 指定输出字符地址"movl %1, %%edx\n" // 指定输出字符串长度"int $0x80 \n"     // 执行系统调用:   : "r"(s), "r"(l)   // 参数: "eax", "ebx", "ecx", "edx"); // 保留寄存器, 不用于关联变量
}// 退出当前进程
void exit(int code)
{asm volatile ("movl $1, %%eax\n""movl %0, %%ebx\n""int $0x80     \n":   : "r"(code): "eax", "ebx");  }运行结果:
Hello World!

编译命令注释如下:

gcc -m32 -e program -fno-builtin -nostartfiles program.c
-m32 : 采用 32 位编译
-e program : 指定函数入口
-fno-builtin -nostartfiles : 不链接到 start 函数

4.2 strace

strace 是系统调用工具它具有以下功能:

用于判断应用程序是否触发系统调用.
用于监控进程与内核的交互(监控系统调用).
用于追踪进程内部状态(定位运行时的问题).
按序输出进程运行过程想通调用名称, 参数和返回值.

实例分析如下

strace -o ./program.log ./a.out // 使用 strace 工具查看 a.out 这个程序的系统调用.execve("./a.out", ["./a.out"], 0x7ffcc94c5760 /* 23 vars */) = 0  // 用来加载执行应用程序, 使其变成进程, 返回值为 0
/* ============> 参数分析  */
// pid : 进程号
// execve : 系统调用的名称, 用来加载执行应用程序, 使其变成进程
// ("./a.out", ["./a.out"], 0x7ffd160fcea0 /* 23 vars */) : 系统调用的参数
// = 0: 系统调用的返回值.
/* ============> 结束 */brk(NULL)                               = 0x56ca1000  // 创建应用程序所需的数据段
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
mmap2(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xf7f8e000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
set_thread_area({entry_number=-1, base_addr=0xf7f8e9c0, limit=0x0fffff, seg_32bit=1, contents=0, read_exec_only=0, limit_in_pages=1, seg_not_present=0, useable=1}) = 0 (entry_number=12)
mprotect(0x56581000, 4096, PROT_READ)   = 0
write(1, "Hello World!\n", 13)          = 13  // 往标准输出(屏幕), 写入字符串 "Hello World!\n" , 长度为13
exit(0)                                 = ?
+++ exited with 0 +++

使用标准方式打印 "Hello World!\n"

#include <stdio.h>int main()
{printf("Hello World\n");return 0;
}运行结果:
Hello World!

使用 strace 查看系统调用过程

execve("./a.out", ["./a.out"], 0x7ffdda4b7c80 /* 23 vars */) = 0  // 用来加载执行应用程序, 使其变成进程, 返回值为 0
brk(NULL)                               = 0x557d7ea3b000 // 创建应用程序所需的数据段
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=103208, ...}) = 0
mmap(NULL, 103208, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7f5b96694000
close(3)                                = 0
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0\240\35\2\0\0\0\0\0"..., 832) = 832
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=2030928, ...}) = 0
mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f5b96692000
mmap(NULL, 4131552, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7f5b96094000
mprotect(0x7f5b9627b000, 2097152, PROT_NONE) = 0
mmap(0x7f5b9647b000, 24576, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1e7000) = 0x7f5b9647b000
mmap(0x7f5b96481000, 15072, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f5b96481000
close(3)                                = 0
arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7f5b966934c0) = 0
mprotect(0x7f5b9647b000, 16384, PROT_READ) = 0
mprotect(0x557d7d3f5000, 4096, PROT_READ) = 0
mprotect(0x7f5b966ae000, 4096, PROT_READ) = 0
munmap(0x7f5b96694000, 103208)          = 0
fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 0), ...}) = 0
brk(NULL)                               = 0x557d7ea3b000
brk(0x557d7ea5c000)                     = 0x557d7ea5c000
write(1, "Hello World\n", 12)           = 12  // 往标准输出(屏幕), 写入字符串 "Hello World!\n" , 长度为13
exit_group(0)                           = ?
+++ exited with 0 +++

为什么采用标准方式系统调用会多很多, 因为标准方式是基于 c 标准库来做的, 中间有很多复杂的调用是我们看不见的. 同理 c++ 的结果将更为复杂.

4.3 track 常用选项

-t在前面打印出调用的实时时间
-tt在前面, 更精确的打印出调用的实时时间
-T在后面打印出调用函数花费的时间
-c打印出调用的次数与总时间 ------ 最常用
-s更详细的展示数据内容, 后跟要展示的数据长度
-x涉及到的数据,优先以字符串的方式进行展示, 以16进制的数据进行展示
-xx涉及到的数据强制以16进制的数据进行展示
-e只关注某个系统调用, 后跟要关注的系统调用函数
-e trace=只关注 trace 后根的系统调用,例如trace=file,read,write

strace -c -o ./program.log ./program.out------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------0.00    0.000000           0         1           execve
------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------
100.00    0.000000                     1           total
System call usage summary for 32 bit mode:
% time     seconds  usecs/call     calls    errors syscall
------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------0.00    0.000000           0         1           write0.00    0.000000           0         2         2 access0.00    0.000000           0         1           brk0.00    0.000000           0         1           mprotect0.00    0.000000           0         1           mmap20.00    0.000000           0         1           set_thread_area
------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------
100.00    0.000000                     7         2 total

编译形语言的效率比解释行语言的效率高.