一文看懂什么是Linux操作系統(tǒng)

Linux操作系統(tǒng)概述

Q1.什么是GNU？Linux與GNU有什么關(guān)系？

A：

1)GNU是GNU is Not Unix的遞歸縮寫，是自由軟件基金會(huì)(Free Software Foundation，F(xiàn)SF)的一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多高質(zhì)量的編程工具，包括emacs編輯器、著名的GNU C和C++編譯器(gcc和g++)；2)Linux的開(kāi)發(fā)使用了許多GNU工具，Linux系統(tǒng)上用于實(shí)現(xiàn)POSIX.2標(biāo)準(zhǔn)的工具幾乎都是由GNU項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的；Linux內(nèi)核、GNU工具以及其它一些自由軟件組成了人們常說(shuō)的Linux系統(tǒng)或Linux發(fā)布版。

Q2.Linux系統(tǒng)由哪幾部分組成？Linux內(nèi)核處于什么位置？

A：

1)Linux系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：用戶進(jìn)程，系統(tǒng)調(diào)用接口、Linux內(nèi)核子系統(tǒng)和硬件；2)Linux內(nèi)核處于用戶進(jìn)程和硬件之間，包括系統(tǒng)調(diào)用接口和Linux內(nèi)核子系統(tǒng)。

Q3.Linux內(nèi)核由哪幾部分組成？各個(gè)子系統(tǒng)的主要功能是什么？

A：

(1)Linux內(nèi)核除系統(tǒng)調(diào)用外，由五個(gè)主要的子系統(tǒng)組成：進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)程間通信(IPC)；(2)各個(gè)子系統(tǒng)的主要功能為：1)進(jìn)程調(diào)度：它控制著進(jìn)程對(duì)CPU的訪問(wèn)，當(dāng)需要選擇一個(gè)進(jìn)程開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，由調(diào)度程序選擇最應(yīng)該運(yùn)行的進(jìn)程；2)內(nèi)存管理：它允許多個(gè)進(jìn)程安全地共享主內(nèi)存區(qū)域，支持虛擬內(nèi)存；從邏輯上可以分為硬件無(wú)關(guān)的部分和硬件相關(guān)的部分；3)虛擬文件系統(tǒng)(VFS)：它隱藏了各種不同硬件的具體細(xì)節(jié)，為所有設(shè)備提供統(tǒng)一的接口，支持多達(dá)數(shù)十種不同的文件系統(tǒng)，分為邏輯文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；4)網(wǎng)絡(luò)：它提供了對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的存取和各種網(wǎng)絡(luò)硬件的支持，分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序兩部分；5)進(jìn)程間通信：支持進(jìn)程間各種通信機(jī)制，包括共享內(nèi)存、消息隊(duì)列和管道等。

內(nèi)存尋址

Q1.什么是物理地址？什么是虛地址？什么是線性地址？

A：

1)將主板上的物理內(nèi)存條所提供的內(nèi)存空間定義為物理內(nèi)存空間，其中每個(gè)內(nèi)存單元的實(shí)際地址就是物理地址；2)將應(yīng)用程序員看到的內(nèi)存空間定義為虛擬地址空間(或地址空間)，其中的地址就叫做虛擬地址(或虛地址)，一般用“段:偏移量”的形式來(lái)描述，如A815:CF2D；3)線性地址空間是指一段連續(xù)的、不分段的、范圍為0~4GB的地址空間，一個(gè)線性地址就是線性地址空間的一個(gè)絕對(duì)地址。

Q2.在保護(hù)模式下，MMU如何把一個(gè)虛地址轉(zhuǎn)換為物理地址？

A：

在保護(hù)模式下，內(nèi)存管理單元(MMU)由一個(gè)或一組芯片組成，其功能是指虛擬地址映射為物理地址，即進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換；MMU是一種硬件電路，它包含分段部件和分頁(yè)部件兩個(gè)部件，分別叫做分段機(jī)制和分頁(yè)機(jī)制，分段機(jī)制是把一個(gè)虛擬地址轉(zhuǎn)換為線性地址，分頁(yè)機(jī)制是把一個(gè)線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址。

Q3.為什么對(duì)32位線性地址空間要采用兩級(jí)頁(yè)表？

A：

頁(yè)表是把線性地址映射到物理地址的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，4GB的線性空間可以被劃分為1M個(gè)4KB大小的頁(yè)，每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)占4字節(jié)，則1M個(gè)頁(yè)表項(xiàng)的頁(yè)表就需要占用4MB空間，而且還要求是連續(xù)的，于是采用兩級(jí)頁(yè)表來(lái)實(shí)現(xiàn)；兩級(jí)頁(yè)表就是對(duì)頁(yè)表再進(jìn)行分頁(yè)，第一級(jí)稱為頁(yè)目錄，其中存放關(guān)于頁(yè)表的信息；4MB的頁(yè)表再次分頁(yè)，可以分為1K個(gè)4KB大小的頁(yè)。

Q4.頁(yè)面高速緩存的作用是什么？Linux為什么主要采用分頁(yè)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)管理？它為什么采用三級(jí)分頁(yè)模式而不是兩級(jí)？

A：

(1)頁(yè)面高速緩存自動(dòng)保留處理器最近使用的32項(xiàng)頁(yè)表項(xiàng)，因此可以覆蓋128KB范圍的內(nèi)存；(2)Linux主要采用分頁(yè)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器管理，原因?yàn)椋?)Linux的分段機(jī)制使得所有的進(jìn)程都使用相同的段寄存器，這使得內(nèi)存管理變得簡(jiǎn)單；2)Linux的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是能夠被移植到絕大多數(shù)流行的處理平臺(tái)上，但許多RISC處理器支持的分段功能非常有限；為了保證可移植性，Linux采用三級(jí)分頁(yè)模式，因?yàn)樵S多處理器都采用64位結(jié)構(gòu)；Linux定義了三種類型的頁(yè)表：頁(yè)目錄(PGD)、中間目錄(PMD)和頁(yè)表(PT)。

進(jìn)程

Q1.程序與進(jìn)程的概念分別是什么？為什么要引入“進(jìn)程”的概念？

A：

1)程序是一個(gè)普通文件，是機(jī)器代碼指令和數(shù)據(jù)的集合，這些指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤上的一個(gè)可執(zhí)行映像中，可執(zhí)行映像(executable image)就是一個(gè)可執(zhí)行文件的內(nèi)容；2)進(jìn)程代表程序的執(zhí)行過(guò)程，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)體，隨著程序中指令的執(zhí)行而不斷地變化，在某個(gè)時(shí)刻進(jìn)程的內(nèi)容被稱為進(jìn)程映像(process image)；3)程序的執(zhí)行過(guò)程可以說(shuō)是一個(gè)執(zhí)行環(huán)境的總和，這個(gè)執(zhí)行環(huán)境除了包括程序中各種指令和數(shù)據(jù)外，還有一些額外數(shù)據(jù)；而執(zhí)行環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化體現(xiàn)了程序的運(yùn)行，為了對(duì)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程進(jìn)行描述，就引入了“進(jìn)程”概念。

Q2.什么是進(jìn)程控制塊？它包含哪些基本信息？

A：

1)Linux中把對(duì)進(jìn)程的描述結(jié)構(gòu)叫做task_struct，將這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱作進(jìn)程控制塊(PCB)；2)PCB是一個(gè)其域多達(dá)80多項(xiàng)的相當(dāng)龐大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按其功能將所有域劃分為：狀態(tài)信息，鏈接信息、各種標(biāo)識(shí)符、進(jìn)程間通信信息、時(shí)間和定時(shí)器信息、調(diào)度信息、文件系統(tǒng)信息、虛擬內(nèi)存信息和處理器環(huán)境信息。

Q3.Linux內(nèi)核的狀態(tài)有哪些？

A：

1)Linux最基本的進(jìn)程狀態(tài)有三種：運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)和阻塞態(tài)(或等待態(tài))；這三種狀態(tài)之間有四種可能的轉(zhuǎn)換關(guān)系：運(yùn)行態(tài)->阻塞態(tài)、運(yùn)行態(tài)->就緒態(tài)、就緒態(tài)->運(yùn)行態(tài)和阻塞態(tài)->就緒態(tài)；2)為了管理上的方便，將就緒態(tài)和運(yùn)行態(tài)合并為一個(gè)狀態(tài)—可運(yùn)行態(tài)，再包括其它方面的一些改變，將進(jìn)程狀態(tài)劃分為：可運(yùn)行態(tài)、睡眠(或等待)態(tài)(分為深度睡眠態(tài)和淺度睡眠態(tài))、暫停狀態(tài)和僵死狀態(tài)。

Q4.PCB的組織方式有哪幾種？

A：

PCB的組織方式有：進(jìn)程鏈表、散列表、可運(yùn)行隊(duì)列和等待隊(duì)列。

Q5.主要的調(diào)度算法包括哪些？一個(gè)好的調(diào)度算法要考慮哪些方面？

A：

1)主要的調(diào)度算法包括：時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法、優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法(非搶占式優(yōu)先級(jí)算法和搶占式優(yōu)先級(jí)算法)、多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法和實(shí)時(shí)調(diào)度算法；2)一個(gè)好的調(diào)度算法應(yīng)該考慮五個(gè)方面：公平、高效、響應(yīng)時(shí)間、周轉(zhuǎn)時(shí)間和吞吐量。

內(nèi)存管理

Q1.為什么把進(jìn)程的地址空間劃分為“內(nèi)核空間”和“用戶空間”？

A：

Linux的虛擬地址空間的大小為4GB，內(nèi)核將這4GB的空間分為兩部分，較高的1GB(虛地址0xC0000000到0xFFFFFFFF)供內(nèi)核使用，稱為“內(nèi)核空間”；而較低的3GB(虛地址0x00000000到0xBFFFFFFF)供各個(gè)進(jìn)程使用，稱為“用戶空間”；因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核，因此，內(nèi)核空間由系統(tǒng)內(nèi)的所有進(jìn)程共享；于是，從具體進(jìn)程的角度來(lái)看，每個(gè)進(jìn)程都可以擁有4GB的虛擬地址空間(也叫做虛擬內(nèi)存)。

Q2.Linux是如何實(shí)現(xiàn)“請(qǐng)求調(diào)頁(yè)”的？

A：

1)如果被訪問(wèn)的頁(yè)不在內(nèi)存，也就是說(shuō)，這個(gè)頁(yè)還沒(méi)有被存放在任何一個(gè)物理頁(yè)面中，那么，內(nèi)核分配一個(gè)新的頁(yè)面并將其適當(dāng)?shù)爻跏蓟?，這種技術(shù)稱為“請(qǐng)求調(diào)頁(yè)”；2)“請(qǐng)求調(diào)頁(yè)”是一種動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配技術(shù)，它將頁(yè)面的分配推遲到不能再推遲為止，也就是說(shuō)，一直推遲到進(jìn)程要訪問(wèn)的頁(yè)不在物理內(nèi)存時(shí)為止，由此引起一個(gè)缺頁(yè)異常；該技術(shù)的引入主要是因?yàn)檫M(jìn)程開(kāi)始運(yùn)行時(shí)并不訪問(wèn)其地址空間中的全部地址。

中斷和異常

Q1.什么是中斷？什么是異常？二者有何不同？

A：

1)中斷控制是為克服對(duì)I/O接口采用程序查詢控制服務(wù)方式所帶來(lái)的處理器低效率而產(chǎn)生的，它的主要優(yōu)點(diǎn)是只有在I/O接口需要服務(wù)時(shí)才能得到處理器的響應(yīng)，而不需要處理器不斷地進(jìn)行查詢；因此，最初的中斷全部是對(duì)外部設(shè)備而言的，稱為外部中斷(或硬件中斷)；2)異常也叫做內(nèi)部中斷，它是為解決機(jī)器運(yùn)行時(shí)所出現(xiàn)的某些隨機(jī)事件及編程的方便而出現(xiàn)的；3)中斷分為外部可屏蔽中斷(INTR)和外部非屏蔽中斷(NMI)，所有I/O設(shè)備產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求(IRQ)均引起可屏蔽中斷，而緊急事件(如硬件故障)引起的故障則產(chǎn)生非屏蔽中斷；4)異常又分為故障(fault)和陷阱(trap)，它們的共同特點(diǎn)是既不使用中斷控制器，又不能被屏蔽(異常其實(shí)是CPU發(fā)出的終端信號(hào))。

Q2.什么是中斷向量？Linux是如何分配中斷向量的？

A：

(1)為使處理器可以容易地識(shí)別每種中斷源，將256種向量中斷從0到255進(jìn)行編號(hào)，即賦以一個(gè)中斷類型碼n，把這個(gè)8位的無(wú)符號(hào)整數(shù)叫做向量，即中斷向量；(2)Linux對(duì)256個(gè)中斷向量的分配如下：1)編號(hào)為0~31的向量對(duì)應(yīng)于異常和非屏蔽中斷；2)編號(hào)為32~47的向量(即由I/O設(shè)備引起的中斷)分配給可屏蔽中斷；3)剩余的、編號(hào)為48~255的向量用來(lái)標(biāo)識(shí)軟中斷；Linux只用其中的一個(gè)(即128或0x80向量)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。

Q3.什么是中斷描述符表？什么是門描述符？

A：

1)在實(shí)地址模式下，CPU將內(nèi)存中從0開(kāi)始的1KB空間作為一個(gè)中斷向量表，表中每個(gè)表項(xiàng)占4個(gè)字節(jié)；但在保護(hù)模式，由4個(gè)字節(jié)的表項(xiàng)構(gòu)成的中斷向量表滿足不了要求；因此在保護(hù)模式下，中斷向量表中的表項(xiàng)由8個(gè)字節(jié)組成，中斷向量表也改稱為中斷描述符表(IDT)；2)IDT中的每個(gè)表項(xiàng)叫做一個(gè)門描述符(gate descriptor)。

Q4.門描述符有哪些類型？它們有什么不同？

A：

門描述符中類型碼占3位，表示門描述符的類型，主要分為以下幾類：1)中斷門(interrupt gate)：其類型碼為110，包含了一個(gè)中斷或異常處理程序所在段的選擇符和段內(nèi)偏移量；2)陷阱門(trap gate)：其類型碼為111；3)系統(tǒng)門(system gate)：是Linux內(nèi)核特別設(shè)置的，用來(lái)讓用戶態(tài)的進(jìn)程訪問(wèn)陷阱門。

系統(tǒng)調(diào)用

Q1.什么是系統(tǒng)調(diào)用？為什么要引入系統(tǒng)調(diào)用？

A：

(1)操作系統(tǒng)為用戶態(tài)的進(jìn)程與硬件設(shè)備(如CPU、磁盤和打印機(jī)等)之間的交互提供了一組接口，這些接口使得程序更具有可移植性，因?yàn)椴煌牟僮飨到y(tǒng)只要所提供的一組接口相同，那么在這些操作系統(tǒng)之上就可以正確地編譯和執(zhí)行相同的程序，這組接口就是所謂的“系統(tǒng)調(diào)用”；(2)引入系統(tǒng)調(diào)用的原因有：1)這使得編程更加容易；2)這極大地提高了系統(tǒng)的安全性；3)最重要的一點(diǎn)，這些接口使得操作系統(tǒng)更具有可移植性。

內(nèi)核中的同步

Q1.什么是臨界區(qū)？什么是競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)？什么是同步？

A：

1)臨界區(qū)(critical regions)就是訪問(wèn)和操作共享數(shù)據(jù)的代碼段，多個(gè)內(nèi)核任務(wù)并發(fā)訪問(wèn)同一個(gè)資源通常是不安全的；2)如果兩個(gè)內(nèi)核任務(wù)可能處于同一個(gè)臨界區(qū)，就是一種錯(cuò)誤現(xiàn)象；如果確實(shí)發(fā)生了這種情況，就稱它為競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)；3)避免并發(fā)和防止競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)稱為同步(synchronization)。

Q2.簡(jiǎn)要介紹一下死鎖及避免死鎖的方法。

A：

死鎖包括自死鎖和ABBA死鎖，1)產(chǎn)生死鎖有四個(gè)原因：互斥使用、不可搶占、請(qǐng)求和保持，以及循環(huán)等待；2)避免死鎖的方法有：破壞“不可剝奪”條件、破壞“請(qǐng)求和保持”條件、破壞“循環(huán)等待”條件。

Q3.內(nèi)核中造成并發(fā)執(zhí)行的原因是什么？

A：

“并發(fā)”分為“偽并發(fā)”和“真并發(fā)”兩種，內(nèi)核中造成并發(fā)執(zhí)行的原因有以下幾種：1)中斷：它可能隨時(shí)打斷當(dāng)前正在執(zhí)行的代碼；2)內(nèi)核搶占：內(nèi)核中的任務(wù)可能會(huì)被另一個(gè)任務(wù)搶占；3)睡眠及其與用戶空間的同步：在內(nèi)核執(zhí)行的進(jìn)程可能會(huì)睡眠，這就會(huì)喚醒調(diào)度程序，調(diào)度一個(gè)新的用戶進(jìn)程執(zhí)行；4)對(duì)稱多處理：兩個(gè)或多個(gè)處理器可以同時(shí)執(zhí)行代碼。

Q4.給出信號(hào)量的定義，并說(shuō)明down()和up()的含義。A：

1)Linux中的信號(hào)量是一種睡眠鎖，它是1968年由Dijkstra提出的，如果一個(gè)任務(wù)試圖獲得一個(gè)已被持有的信號(hào)量，信號(hào)量會(huì)將其推入等待隊(duì)列，然后讓其睡眠；當(dāng)持有信號(hào)量的進(jìn)程將信號(hào)量釋放后，在等待隊(duì)列中的一個(gè)任務(wù)將被喚醒，從而可以獲得這個(gè)信號(hào)量；2)信號(hào)量支持兩個(gè)原子操作P()和V()，前者叫做測(cè)試操作，后者叫做增加操作；后來(lái)的系統(tǒng)把這兩種操作分別叫做down()和up()；3)down()操作通過(guò)對(duì)信號(hào)量計(jì)數(shù)減1來(lái)請(qǐng)求獲得一個(gè)信號(hào)量；up()操作用來(lái)釋放信號(hào)量，該操作也被稱作“提升”(upping)信號(hào)量，因?yàn)樗鼤?huì)增加信號(hào)量的計(jì)數(shù)值。

文件系統(tǒng)

Q1.Linux目錄樹結(jié)構(gòu)是怎樣的？它與Windows的目錄樹結(jié)構(gòu)有什么區(qū)別？為什么Linux的文件系統(tǒng)采用固定的目錄形式？

A：

文件是一個(gè)抽象的概念，它是存放一切數(shù)據(jù)或信息的倉(cāng)庫(kù)；1)Linux的目錄樹結(jié)構(gòu)為：根目錄(/)在上，其它的平行在下；2)Windows操作系統(tǒng)也是采用樹型結(jié)構(gòu)，但其樹型結(jié)構(gòu)的根是磁盤分區(qū)的盤符，有幾個(gè)分區(qū)就有幾個(gè)樹型結(jié)構(gòu)，它們之間的關(guān)系式并列的；而在Linux中，無(wú)論操作系統(tǒng)管理幾個(gè)磁盤分區(qū)，這樣的目錄樹只有一個(gè)；3)這樣做的原因是：Linux是一個(gè)多用戶系統(tǒng)，制定這樣一個(gè)固定的目錄規(guī)劃有助于對(duì)系統(tǒng)文件和不同的用戶文件進(jìn)行統(tǒng)一管理；4)Linux中的文件類型包括：常規(guī)文件、目錄文件、設(shè)備文件、管道文件和鏈接文件。

Q2.什么是虛擬文件系統(tǒng)？什么是虛擬文件系統(tǒng)界面？

A：

1)將各種不同文件系統(tǒng)的操作和管理納入到一個(gè)統(tǒng)一的框架中，使得用戶程序可以通過(guò)同一個(gè)文件系統(tǒng)界面，也就是同一組系統(tǒng)調(diào)用，對(duì)各種不同的文件系統(tǒng)以及文件進(jìn)行操作；用戶程序可以不關(guān)心不同文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而使用系統(tǒng)提供的統(tǒng)一、抽象、虛擬的文件系統(tǒng)界面；這種統(tǒng)一的框架就是所謂的虛擬文件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，一般簡(jiǎn)稱虛擬文件系統(tǒng)(VFS)；2)VFS的對(duì)象類型包括：超級(jí)塊(superblock)對(duì)象、索引節(jié)點(diǎn)(inode)對(duì)象、目錄項(xiàng)(dentry)對(duì)象和文件(file)對(duì)象；3)虛擬文件系統(tǒng)界面是虛擬文件系統(tǒng)所提供的抽象界面，它主要由一組標(biāo)準(zhǔn)的、抽象的操作構(gòu)成，這些函數(shù)(操作)以系統(tǒng)調(diào)用的形式供用戶調(diào)用。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)

Q1.為什么把設(shè)備分為“塊設(shè)備”和“字符設(shè)備”兩大類？A：

1)Linux將設(shè)備看成文件，具有三方面的含義：第一，每個(gè)設(shè)備都對(duì)應(yīng)一個(gè)文件名，在內(nèi)核中也就對(duì)應(yīng)一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)；第二，對(duì)文件操作的系統(tǒng)調(diào)用大都適用于設(shè)備文件；第三，從應(yīng)用程序的角度看，設(shè)備文件的邏輯空間是一個(gè)線性空間；對(duì)于同一個(gè)具體的設(shè)備而言，文件操作和設(shè)備驅(qū)動(dòng)是同一個(gè)事物的不同層次，概念上可以將一個(gè)系統(tǒng)劃分為應(yīng)用、文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)三個(gè)層次；2)Linux將設(shè)備分為兩大類，一類是像磁盤那樣的以塊或扇區(qū)為單位、成塊進(jìn)行輸入/輸出的設(shè)備，稱為塊設(shè)備；另一類是像鍵盤那樣以字符(字節(jié))為單位，逐個(gè)字符進(jìn)行輸入/輸出的設(shè)備，稱為字符設(shè)備；文件系統(tǒng)通常都建立在塊設(shè)備上。

Q2.什么是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序？

A：

Linux中處理和管理硬件控制器的軟件就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

Q3.I/O端口一般包括哪些寄存器？各自功能是什么？

A：

1)I/O端口包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器三大類；2)根據(jù)訪問(wèn)外設(shè)寄存器的不同方式，將CPU分為兩大類：一類是“內(nèi)存映射”(memory-mapped)方式，另一類是“I/O映射”(I/O- mapped)方式。