實踐項目名稱： Linux內核分析
一、實踐目的
1. 在Ubuntu系統條件下，學會使用虛擬機安裝Ubuntu操作系統
2. 掌握組創建、用戶創建，並授權。
3. 學會配置C語言編程環境，完成C程序運行。
4. 學會使用fork()系統調用進行進程創建，查看創建的進程。
5. 學習創建如下的進程關係，並解釋創建過程。
二、實踐內容
1. 在計算機上用虛擬機形式安裝linux，虛擬機可採用VmWare或VirtualBox。Linux用Ubuntu或CentOS。
2. 完成組創建、用戶創建，並授權。分別命名爲testgroup和testuser.
3. 配置C語言編程環境，完成hello world程序運行。
4. 使用fork()系統調用進行進程創建，查看創建的進程。
5. 創建如下的進程關係，並解釋創建過程。
三、實踐的具體實現過程
- 虛擬機的構建：
首先，下載Vmware虛擬機安裝Ubuntu操作系統。
上圖爲Ubuntu官網下載。下載地址爲：（建議使用迅雷下載）
https://ubuntu.com/download/server/thank-you?version=19.04&architecture=amd64
打開Vmware軟件，選擇新建虛擬機選項。
在創建Ubuntu虛擬機時，要在選擇系統界面提示框中選擇“稍後安裝操作系統”；
若選擇“安裝程序光盤映像文件”會導致虛擬機在安裝系統時會出現死機的狀態。
選擇Linux
選擇Ubuntu64位
在創建完成一個虛擬機後（未安裝系統），要對其硬件進行配置。
對於Ubuntu虛擬機，要求最小內存爲2GB，
並且我們要對虛擬機安裝Ubuntu系統，在“虛擬機設置中”，選擇“CD/DVD”，找到“使用ISO映像文件”選項，找到剛剛下載的Ubuntu系統並確定。虛擬機再次打開是便會自動安裝Ubuntu系統了。
現在這就是一臺完整的Ubuntu虛擬機了。
2、完成組創建、用戶創建，並授權。分別命名爲testgroup和testuser.
- 登錄Ubuntu系統，查看所有用戶，需要查看/etc/passwd文件
cat/etc/passwd
- 創建一個用戶，使用命令
useradd newuser -m
useradd後是用戶的名字
-m代表創建用戶的同時創建該用戶的home目錄
- 提示沒有權限，使用sudo授權創建
sudo useradd newuser -m
查看/home目錄已經有了新用戶newuser的文件夾
用第一步的查看/etc/passwd文件內容，也有了newuser用戶
創建用戶時候，會自動創建該用戶所在組，默認組名和用戶名一樣。通過
cat /etc/group
查看
- 切換到newuser用戶，命令如下
su - newuser
- 不能正常切換，需要先設置密碼，命令如下：
sudo passwd newuser
再次進行切換，可以正常登錄
su - newuser
‘-’的意義是切換過來直接到用戶的主目錄
可以使用pwd查看當前目錄
- 默認新建的用戶沒有sudo權限，要賦給sudo權限要在有sudo權限的用戶使用以下命令
sudo usermod -a -G adm newuser
sudo usermod -a -G sudo newuser
這兩句是將newuser用戶添加到adm組和sudo組
- 再切回newuser用戶使用sudo創建文件夾就可以了
- 配置C語言編程環境，完成hello world程序運行。
先在虛擬機上安裝Vim軟件，用於編寫代碼。
編寫一個test1.cpp的程序，
Ctrl + Alt + T打開Ubuntu下的cmd。
使用cd命令打開test1.cpp所在的文件夾的位置。
再對其進行編譯。使用g++ test.cpp -o test1(如果是C則爲gcc)
所使用的語言 + 文件名.文件類型 + -o 文件名
會出現test1這個文件，在cmd上運行這個文件即可。
- 使用fork()系統調用進行進程創建，查看創建的進程。
實驗代碼：
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
printf("1\n");
printf("PID = %d ",getpid());
fork();
printf("PID = %d, PPID = %d\n",getpid(),getppid());
printf("2\n");
return 0;
}
對其進行編譯：
我們執行完fork.c文件後發現多一個2
這是我們獲取進程的代碼，PID爲當前進程ID，PPID爲父進程ID
生成兩個進程，其中一個進程是原先的進程，而且父進程不一樣
分析內核：fork系統之前只有一個進程，fork之後又兩個進程，其實在fork之前有一個PCB（內核state_struct）指向代碼段，數據段，堆棧段，fork之後生成新的PCB，複製一份代碼段，數據段，堆棧段，PCB函數指針指向代碼段，數據段，堆棧段。此時有兩個PCB，則有兩個進程。複製前PCB函數指針指向fork系統調用，複製完也是指向系統調用。故代碼都是從fork系統調用開始跑，所以fork之後的代碼實現兩次（兩個進程各自實現一次）。
然後我們對fork()函數進行分析。
實驗代碼：
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
int cnt = 0;
int flag = fork();;
if(flag > 0)
{
printf("cnt = %d\n",cnt);
printf("cnt address = 0x%x\n",&cnt);
}
else if(falg == 0)
{
cnt =10;
printf("cnt = %d\n",cnt);
printf("cnt address = 0x%x\n",&cnt);
}
else
{
printf("ERROR!\n");
}
return 0;
}
實驗截圖：
實驗分析：
我們必須知道fork系統調用有返回值，返回值爲0則是子進程，大於0爲父進程
我們可以看到結果是值不一樣，但是地址卻是一樣的，值不一樣是因爲我們賦值了，所以拷貝的時候也變化了，但是地址還是一樣
內核分析：其實內核裏面有一個邏輯內存又成虛擬內存，父進程指向虛擬內存訪問到變量count，當拷貝的時候，子進程拷貝了父進程的虛擬內存，所以他們的地址是一樣。當我們變量改變的時候，其實物理內存是改變了，但是是虛擬內存指向的變量，而我們在終端只能看到虛擬內存，並不能看到物理內存。（這種方式稱爲copy-on-write 寫入時候才拷貝，訪問的時候還是原來變量）爲什麼要有這種方式呢？有時候父進程太大，子進程又用得內存不多，原樣拷貝父進程浪費太多內存，所以在寫的時候纔來分配內存。
- 創建如下的進程關係，並解釋創建過程。
我們知道，Linux下父進程可以使用fork 函數創建子進程，但是當父進程先退出後，子進程會不會也退出呢？
實驗代碼：
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
int pronum;
int pid = fork();
int cnt = 0;
while(pid == 0)
{
printf("PPID = %d\n",++pronum);
cnt++;
if(cnt>=3)
{
exit(0);
}
}
printf("PID = %d\n",pronum);
return 0;
}
實驗截圖：
代碼分析：
首先按代碼解釋應該先順序執行三個子進程，即pronum爲1001，1002和1003.而後創建完三個子進程後，系統被強制退出exit(0);父進程1000不執行。
但是由執行結果可知：
可以看出父進程1000首先退出，退出前子程序的pronum爲1003， 退出後子進程的PPID變爲了 1.說明在執行子進程前，系統會先執行父進程，父進程退出後的子進程由 init 超級進程1領養。而該進程是不絕不會退出的。