Linux系统编程——操作系统详解

操作系统基本概念

操作系统是管理计算机硬件与软件资源的系统软件，为用户和应用程序提供接口。它负责进程调度、内存管理、文件系统操作、设备驱动等核心功能。Linux作为类Unix操作系统，采用模块化设计，内核与用户空间分离。

进程管理

进程是程序执行的实例，Linux通过fork()和exec()系统调用创建进程。每个进程拥有独立的地址空间和资源描述符。调度器采用完全公平调度算法（CFS），通过优先级和时间片分配CPU资源。

进程状态包括运行态（TASK_RUNNING）、可中断睡眠（TASK_INTERRUPTIBLE）、不可中断睡眠（TASK_UNINTERRUPTIBLE）、停止态（TASK_STOPPED）和僵尸态（EXIT_ZOMBIE）。

内存管理

Linux采用虚拟内存管理机制，通过分页和地址转换实现内存隔离。内核使用伙伴系统管理物理内存页，slab分配器处理小块内存请求。内存映射通过mmap()系统调用实现，支持文件映射和匿名映射。

// 示例：内存映射API
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);

文件系统

Linux遵循一切皆文件的设计哲学，抽象出虚拟文件系统（VFS）接口。支持ext4、XFS、Btrfs等多种文件系统类型。文件描述符是内核管理的非负整数，通过open()、read()、write()等系统调用操作。

文件权限采用传统的9位模式，分为用户、组和其他三类权限。特殊权限包括setuid、setgid和sticky位。

设备驱动

Linux设备分为字符设备、块设备和网络设备。内核通过设备文件（如/dev/sda）暴露硬件接口。驱动程序遵循GPL协议，以内核模块形式动态加载。IO操作通过文件接口统一管理，支持阻塞和非阻塞模式。

// 示例：设备文件操作
int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);
ioctl(fd, TIOCMGET, &status);

进程间通信

Linux提供多种IPC机制：

• 管道（pipe）：单向数据流，适合父子进程通信
• 消息队列（msgget/msgsnd）：结构化消息传递
• 共享内存（shmget/shmat）：最高效的通信方式
• 信号量（semget/semop）：同步控制
• 套接字（socket）：跨主机通信

系统调用机制

用户程序通过软中断（如x86的int 0x80）或专用指令（syscall/sysenter）触发系统调用。内核维护系统调用表，每个调用有唯一编号。参数传递遵循ABI规范，通常通过寄存器实现。

// 示例：直接调用write系统调用
mov eax, 4      ; sys_write
mov ebx, 1      ; stdout
mov ecx, msg    ; buffer
mov edx, len    ; length
int 0x80

内核模块开发

内核模块可以动态扩展功能，但运行在内核空间无内存保护。开发需包含头文件linux/module.h，实现init和exit函数。模块通过Makefile编译，使用insmod/rmmod命令管理。

// 示例：最小内核模块
#include <linux/module.h>
static int __init hello_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Hello kernel\n");
    return 0;
}
static void __exit hello_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "Goodbye kernel\n");
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

性能调优

系统性能分析工具链包括：

• top/htop：实时进程监控
• vmstat：内存和CPU统计
• iostat：磁盘IO分析
• strace：系统调用跟踪
• perf：性能事件采样

proc文件系统（/proc）暴露内核运行时信息，sysfs（/sys）展示设备树结构。