Linux -- 系統呼叫

1. 在Linux裡，建立一個新程序，需要老程序呼叫fork 來實現
2. 老程序叫作父程序 （Parent Process ），新程序叫作子程序 （Child Process ）
3. 當父程序呼叫fork 建立程序的時候，子程序將各個子系統 為父程序建立的資料結構也全部 拷貝一份（包括程式程式碼）
   • 如果不進行特殊處理，父程序和子程序都按相同的程式碼邏輯進行下去
4. fork 系統呼叫的返回值
   • 如果當前程序 是子程序 ，就返回0
   • 如果當前程序 是父程序 ，返回 子程序的程序號
5. 依據fork 的返回值執行不同的邏輯分支
   • 如果是父程序 ，執行原始邏輯
   • 如果是子程序 ，請求系統呼叫execve 來執行另一個程式
     • 至此，子程序和父程序就徹底分道揚鑣 了，產生了一個fork（分支）
6. 作業系統在啟動 時會先建立所有使用者程序 的 祖宗程序
7. 父程序如果需要知道子程序的執行情況，
   • 父程序可以請求系統呼叫waitpid ，將子程序的程序號 作為引數傳給它
   • 這樣父程序就知道子程序是否執行成功

記憶體管理

1. 在作業系統中，每個程序都有自己的記憶體，互不干擾 ，有 獨立的程序記憶體空間
2. 程式碼段 （Code Segment ）：存放 程式程式碼
3. 資料段 （Data Segment ）：存放 程序在執行過程中產生的資料
   • 其中區域性變數 的部分，在當前函式執行的時候才起作用，當進入另一個函式時，區域性變數就會被釋放
   • 也有動態分配 的，會較長時間儲存 ，指明才銷燬的，這部分稱為堆 （Heap ）
4. 一個程序的記憶體空間是很大的，32位的是4G，但不可能有那麼多的實體記憶體，到真正需要 的時候再分配
   • 程序自己不用的部分就不用管了，只有程序去使用部分記憶體的時候，才會使用記憶體管理的系統呼叫 來登記
   • 但這不代表真的就對應到了實體記憶體，只有在真的寫入資料 的時候，發現沒有對應的實體記憶體
     • 才會觸發一個中斷 ， 現分配實體記憶體
5. 在堆裡 分配記憶體的系統呼叫：brk 和mmap
   • 當分配的記憶體數量比較小 的時候，使用brk ，會和原來的堆的資料連在一起
     • brk, sbrk - change data segment size
   • 當分配到記憶體數量比較大 的時候，使用mmap ，會重新劃分一塊區域
     • mmap, munmap - map or unmap files or devices into memory

檔案管理

1. 系統呼叫
   • 對於已經存在的檔案，使用open 開啟這個檔案，使用close 關閉這個檔案
   • 對於不存在的檔案，使用create 建立檔案
   • 開啟檔案以後，使用lseek 跳到檔案的某個位置
   • 可以對檔案的內容進行讀寫，讀的系統呼叫是read ，寫的系統呼叫是write
2. 一切皆檔案
   • 啟動一個程序，需要一個程式檔案，這是一個二進位制檔案
   • 啟動的時候，需要載入一些配置檔案，例如yml、properties等，這是文字檔案
     • 啟動之後會列印一些日誌，如果寫到硬碟上，也是文字檔案
     • 如果把日誌列印到互動控制檯上，也是一個檔案，是stdout檔案
   • 這個程序的輸出可以作為另一個程序的輸入，這種方式稱為管道 ，管道也是一個檔案
   • 程序之間可以通過網路進行進行通訊，建立Socket ， Socket 也是一個檔案
   • 程序需要訪問外部裝置，裝置也是一個檔案
   • 檔案都被儲存在資料夾裡面，資料夾也是一個檔案
   • 程序執行起來，程序X的執行情況會在/proc/${X} 目錄體現出來，該目錄下也是一系列的檔案
3. Linux會為每個檔案 分配一個檔案描述符 （File Descriptor ，是一個整數 ）
4. 檔案操作是貫穿始終的，一切皆檔案的優勢： 統一了操作的入口

訊號處理

1. 常見訊號
   • 在執行一個程式的時候，在鍵盤上輸入CTRL+C ，這是中斷訊號 ，正在執行的命令就會中止退出
   • 非法訪問記憶體
   • 硬體故障，裝置出現了問題
   • 使用者程序通過kill 函式，將一個使用者訊號傳送給另一個程序
2. 對於一些不嚴重的訊號，可以忽略，但類似SIGKILL 和SIGSTOP 是不能忽略的，可以執行訊號的預設動作
   • 每種訊號都定義了預設的動作，例如硬體故障，預設終止
   • 也可以提供訊號處理函式 ，通過請求系統呼叫sigaction ，註冊一個訊號處理函式
     • sigaction, rt_sigaction - examine and change a signal action

程序間通訊

1. 訊息佇列 （Message Queue ）
   • 兩個程序間互動的資訊較小 ，這個訊息佇列在核心 裡
   • msgget ：建立一個新佇列， get a System V message queue identifier
   • msgsnd ：將訊息傳送到訊息佇列， XSI message send operation
   • msgrcv ：訊息接收方從佇列中取資料， XSI message receive operation
2. 共享記憶體
   • 兩個程序間互動的資訊較大
   • shmget ：建立一個共享記憶體塊
     • shmget - allocates a System V shared memory segment
   • shmat ：將共享記憶體對映 到自己的程序記憶體空間，然後就可以進行讀寫 了
     • shmat — XSI shared memory attach operation
   • 存在競爭 問題，解決方案： 訊號量機制 （Semaphore ）
     • 對於只允許一個程序訪問的資源，可以將訊號量設為1
     • 當程序A要訪問的時候，會先請求系統呼叫sem_wait ，如果此時沒有其他程序訪問，則佔用 這個訊號量
     • 如果此時程序B要訪問，也會呼叫sem_wait ，程序B必須等待
     • 當程序A訪問完畢，會呼叫sem_post 將訊號量釋放 ，程序B就可以訪問這個資源了

網路通訊

1. 不同機器通過網路相互通訊，需要遵循相同的網路協議，即TCP/IP網路協議棧 ，Linux核心有對網路協議棧的實現
2. 網路服務是通過套接字Socket 來提供服務的，可以通過Socket 系統呼叫來建立一個Socket
3. Socket 是一個檔案 ，也有一個檔案描述符 ，也可以通過讀寫函式 進行通訊

系統呼叫定義

路徑：linux-5.0.7/arch/sh/include/uapi/asm/unistd_64.h

#define __NR_restart_syscall0
#define __NR_exit1
#define __NR_fork2
#define __NR_read3
#define __NR_write4
#define __NR_open5
#define __NR_close6
#define __NR_waitpid7
#define __NR_creat8
...

glibc

1. glibc 是Linux下開源的標準C庫，由GNU 釋出
2. glibc 提供了豐富的API
   • 封裝了例如字串處理、數學運算等使用者態服務
   • 封裝了作業系統提供的系統服務，即 系統呼叫的封裝
3. 每個系統呼叫都對應至少一個glibc 封裝的庫函式
   • 開啟檔案系統呼叫，作業系統->sys_open ，glibc ->open
4. glibc 中一個單獨的API可能會呼叫多個系統呼叫
   • glibc 提供的printf 函式就會呼叫如sys_open 、sys_mmap 、sys_write 和sys_close 等系統呼叫
5. 多個glibc API 也可能只對應一個系統呼叫
   • glibc 的malloc 、calloc 和free 等函式用來分配和釋放記憶體，都呼叫了核心的sys_brk 的系統呼叫