Linux（5）底层分析-常见问题-经典笔试面试题整理

六、底层分析

1、linux 目录

Linux各路径的解释：

/bin	存放二进制可执行文件(ls,cat,mkdir等)，常用命令一般都在这里
/home	存放所有用户文件的根目录，是用户主目录的基点，比如用户user的主目录是/home/user，可以用~user表示
/home/admin	用的是admin的空间
/usr	用于存放系统应用程序，可以理解为C:/Windows/
/usr/local	用户级的程序目录，可以理解为C:/Progrem Files/；用户自己编译的软件默认会安装到这个目录下；本地系统管理员软件安装目录（安装系统级的应用）；这是最庞大的目录，要用到的应用程序和文件几乎都在这个目录；用的是root的空间。
/usr/lib	理解为 C:/Windows/System32
/root	超级用户（系统管理员）的主目录
/dev	用于存放设备文件
/tmp	用于存放各种临时文件，是公用的临时文件存储点
/etc	存放系统管理和配置文件
/opt	放置第三方大型软件（或游戏），可以理解为D:/Software
/usr/src	系统级的源码目录
/usr/local/src	用户级的源码目录

在这里插入图片描述

2、初步介绍

Linux 操作系统是一个基于 Unix 的开源操作系统。它的底层主要由内核组成，负责管理系统的资源，如处理器、内存、输入/输出设备等。在 Linux 内核之上，有一系列的用户空间程序和系统调用接口，这些程序和接口为用户提供了与内核交互的途径。

1. Linux 内核

Linux 内核是操作系统的核心部分，负责管理系统的资源，并提供基本的服务。内核的主要功能包括：

进程管理：负责进程的创建、销毁、调度和同步。
内存管理：负责内存的分配和回收，以及内存的保护和共享。
文件系统：负责文件的存储、读取、写入和删除。
设备驱动：负责与硬件设备进行交互，如硬盘、键盘、鼠标等。
网络通信：负责数据的传输和接收，包括 TCP/IP 协议栈的实现。

2. 系统调用

系统调用是用户空间程序与内核交互的一种方式。通过系统调用，用户空间程序可以请求内核执行某些特定的操作，如创建文件、执行进程等。
例如，open 系统调用用于打开文件。当用户空间程序调用 open 函数时，它会触发相应的系统调用，内核会执行打开文件的操作，并返回一个文件描述符。用户空间程序可以通过这个文件描述符来进行后续的读写操作。

3. 用户空间程序

用户空间程序是在用户空间运行的程序，它们不直接与硬件交互，而是通过系统调用请求内核执行特定的操作。
例如，ls 命令用于列出目录中的文件和文件夹。当您在终端中输入 ls 并按下回车键时，ls 程序会在用户空间运行。它会请求内核列出当前目录下的文件和文件夹，然后将结果返回给用户空间程序，最后输出到终端。

4. 设备驱动

设备驱动是内核的一部分，负责与硬件设备进行交互。设备驱动为用户提供了一个抽象的接口，使得用户不需要关心硬件的具体实现细节。
例如，显卡驱动负责与显卡进行交互，将用户空间程序生成的图像数据渲染到屏幕上。当您运行一个图形界面程序时，内核的显卡驱动会处理图像数据的渲染工作。

总结

Linux 操作系统的底层主要由内核、系统调用、用户空间程序和设备驱动组成。这些组件相互协作，为用户提供了一个稳定、高效和可扩展的操作系统环境。通过理解这些底层组件的工作原理，您可以更好地掌握 Linux 系统的运行机制，从而更好地管理和优化系统资源。

3、深入介绍

深入了解 Linux 操作系统的底层涉及到对硬件的直接操作，操作系统内核的源代码分析，以及系统调用和设备驱动程序的具体实现。以下是一些更详细的解释和深入的探讨。

1. 内核源代码

Linux 内核的源代码是开源的，您可以在 GitHub 上找到它的存储库：https://github.com/torvalds/linux。内核源代码包含了多个子系统，如进程管理、内存管理、文件系统、网络栈、设备驱动等。

示例：查看内核源代码

cd /path/to/linux/kernel/source
git status

这个命令会显示当前 Linux 内核源代码的版本和变更情况。

2. 系统调用表

系统调用是通过中断向量表映射到的内核函数。在 Linux 中，每个系统调用都有一个唯一的数字标识（系统调用号）。

示例：查看系统调用号

cat /usr/include/asm/unistd.h

这个命令会显示 Linux 系统调用号列表。

3. 设备驱动程序

设备驱动程序通常位于内核空间，它们直接与硬件接口。驱动程序的源代码通常位于内核源代码的 drivers 目录中。

示例：查看显卡驱动源代码

cd /path/to/linux/kernel/source/drivers/video

这个命令会切换到显卡驱动程序的源代码目录。

4. 系统调用的高级实现

系统调用的高级实现涉及到用户空间程序如何通过特定的 API 调用来发起系统调用，以及内核如何处理这些调用。

示例：open 系统调用的 C 库实现

#include <fcntl.h>
int open(const char *path, int flags) {
    return syscall(SYS_open, path, flags);
}

这个 open 函数实现了一个系统调用。SYS_open 是系统调用号，它告诉内核执行 open 系统调用。

5. 设备驱动的高级实现

设备驱动的高级实现涉及到内核如何与硬件设备进行交互，以及如何处理设备的中断和 I/O 请求。

示例：显卡驱动的中断处理

static irqreturn_t video_irq(int irq, void *dev_id) {
    // 处理显卡中断
    return IRQ_HANDLED;
}

这个函数处理显卡设备的中断。

6. 内核模块

内核模块是内核的一部分，它们可以被动态加载和卸载。模块的源代码通常位于内核源代码的 kernel/ 目录中。

示例：查看内核模块源代码

cd /path/to/linux/kernel/source/kernel

这个命令会切换到内核模块的源代码目录。

7. 总结

Linux 操作系统的底层分析需要深入理解内核源代码、系统调用、设备驱动程序和内核模块。这些组件的实现细节可以在 Linux 内核的源代码中找到。通过阅读和研究这些源代码，您可以获得对 Linux 操作系统底层工作原理的深入了解。

4、源码部分解读

Linux 源码是一个庞大且复杂的软件项目，它包含了数百万行代码。Linux 内核源码主要包含了操作系统内核的相关实现，而 Linux 操作系统还包括了用户空间的应用程序、库、系统管理工具等。

1、解读 Linux 源码的指导

了解基础知识：在解读 Linux 源码之前，您需要具备一定的计算机操作系统原理、C 语言编程、数据结构与算法等基础知识。
阅读官方文档：Linux 内核的官方文档是理解源码的重要资源。这些文档通常包含了内核的设计理念、架构、各个模块的功能介绍等。
选择合适的切入点：由于源码非常庞大，您可以选择从感兴趣的模块或功能开始。比如，如果您对文件系统感兴趣，可以从 fs 目录开始；如果您对网络感兴趣，可以从 net 目录开始。
阅读源码：从高层次的代码开始阅读，逐渐深入到具体的实现细节。在阅读过程中，您可能需要不断地查阅数据结构、算法相关的资料，以及内核的其他部分的代码。
实际运行和测试：尝试编译和运行 Linux 内核，以便更好地理解代码的实际运行方式和效果。您还可以尝试修改代码并观察修改后的影响。
加入社区：Linux 开源社区是非常活跃的。您可以通过加入邮件列表、论坛等方式，与其他开发者交流和讨论。
持续学习和实践：解读 Linux 源码是一个持续的学习过程。随着技术的发展和 Linux 内核的更新，您需要不断地学习和实践。

2、解读 Linux 内核的调度器代码过程步骤

理解调度器的基本功能：
- 调度器是内核中的一个组件，负责决定哪个进程将获得处理器时间。
- 它管理着进程的状态转换，包括就绪、运行、阻塞等。
- 学习调度器的关键数据结构，如进程池、调度队列、优先级等。
阅读相关文档和源码：
- 查看 Linux 内核文档中关于调度器的部分。
- 阅读调度器的源码，通常位于内核源码的 kernel/sched 目录。
学习调度器的算法：
- 调度器使用多种算法来决定进程的执行顺序，如轮转调度（Round Robin）、优先级调度等。
- 研究这些算法在 Linux 内核中的具体实现。
实际分析和调试：
- 使用内核调试工具（如 kdump、kgdb 等）来分析调度器的运行。
- 在本地机器上编译和运行 Linux 内核，以实际观察调度器的行为。
参与社区讨论：
- 加入 Linux 内核邮件列表，参与关于调度器的讨论。
- 阅读和学习社区中的相关patch和讨论 thread。

举例详解：pick_next_task 函数

假设我们找到了 pick_next_task 函数的定义，它可能看起来像这样（这里只是一个简化的示例）：

struct task_struct *pick_next_task(struct rq *rq) {  
    struct task_struct *next = NULL;  
    struct prio_array *array = &rq->active;  
    unsigned long idx = 0;  
  
    if (!array->nr_active)  
        goto idle;  
  
    for (idx = 0; idx < MAX_PRIO; ++idx) {  
        struct list_head *queue = array->queue + idx;  
        if (!list_empty(queue)) {  
            next = list_entry(queue->next, struct task_struct, run_list);  
            break;  
        }  
    }  
  
    if (!next)  
        goto idle;  
  
    // ... 其他逻辑，如负载均衡、调度策略等 ...  
  
    return next;  
  
idle:  
    return rq->idle;  
}

在这个简化的示例中，pick_next_task 函数遍历了不同优先级的就绪队列，以找到下一个要运行的进程。它首先检查是否有任何活动进程（nr_active），然后遍历每个优先级队列，直到找到一个非空的队列。然后，它从该队列中选择第一个进程作为下一个要运行的进程。如果没有找到任何进程，则选择空闲进程（rq->idle）作为默认选项。

3、关于解读 Linux 源码的在线课程和书籍：

Linux Kernel Development（Linux 内核开发）
Linux Kernel internals（Linux 内核内部）
Introduction to Linux（Linux 简介） - 重点是命令行操作，但也涉及一些内核概念
书籍：
“Linux Kernel Development” by Robert Love
“Understanding Linux Internals” by 作者：Rick Forensics
“Linux Device Drivers” by 作者：Robert Love
“The Linux Programming Interface” by 作者：Michael Kerrisk

4、 Linux 文件系统的具体实现

理解文件系统的基础知识：
- 学习文件系统的概念，如目录结构、文件权限、文件系统类型等。
阅读文件系统的源码：
- Linux 内核中的文件系统源码通常位于 fs 目录。
- 研究不同文件系统（如 ext4、XFS、Btrfs）的实现细节。
理解核心数据结构：
- 学习文件系统中的关键数据结构，如超级块、inode、 dentry、文件描述符等。
跟踪文件操作：
- 跟踪文件系统中的常见操作，如打开、读取、写入、关闭等。
使用调试工具：
- 使用内核调试工具（如 fs_debug）来分析文件系统的行为。
实际测试和实验：
- 在虚拟机或隔离的环境中测试文件系统的功能。
- 尝试编写简单的文件系统或修改现有文件系统。
  通过上述步骤，您可以逐步深入理解 Linux 文件系统的实现细节。记住，阅读和理解内核源码是一个逐步的过程，需要耐心和持续的学习。