操作系统的一些基本概念

1,几种进程间的通信方式

管道( pipe ):管道是一种半双工的通信方式,数据只能单向流动,而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
# 有名管道 (named pipe) : 有名管道也是半双工的通信方式,但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
# 信号量( semophore ) : 信号量是一个计数器,可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制,防止某进程正在访问共享资源时,其他进程也访问该资源。因此,主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
消息队列( message queue ) : 消息队列是由消息的链表,存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点
# 信号 ( sinal ) : 信号是一种比较复杂的通信方式,用于通知接收进程某个事件已经发生。
共享内存( shared memory ) :共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存,这段共享内存由一个进程创建,但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式,它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制,如信号两,配合使用,来实现进程间的同步和通信。
# 套接字( socket ) : 套解口也是一种进程间通信机制,与其他通信机制不同的是,它可用于不同及其间的进程通信。




2,进程同步与互斥

图比较多,参看操作系统原理



3,内核态与用户态

当一个任务(进程)执行系统调用而执行内核代码时,称进程处于内核内核态此时处理器处于特权级最高的(0级)内核代码中执行当进程处于内核态时,执行的内核代码会使用当前进程的内核栈,每个进程都有自己的内核栈。当进程执行用户代码时,称其处于用户态此时处理器在特权级最低的(3级)用户代码中运行。

当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时,此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核,因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。这与处于内核态的进程的状态有些类似。内核态与用户态是操作系统的两种运行级别,intel cpu没有必然的联系,intel cpu提供Ring0-Ring3三种级别的运行模式,Ring0级别最高,Ring3最低。

Linux使用了Ring3级别运行用户态,Ring0作为内核态,没有使用Ring1Ring2Ring3状态不能访问Ring0的地址空间,包括代码和数据。Linux进程的4GB地址空间,3G-4G部分大家是共享的,是内核态的地址空间,这里存放在整个内核的代码和所有的内核模块,以及内核所维护的数据。用户运行一个程序,该程序所创建的进程开始是运行在用户态的,如果要执行文件操作,网络数据发送等操作,必须通过writesend等系统调用,这些系统调用会调用内核中的代码来完成操作,这时,必须切换到Ring0,然后进入3GB-4GB中的内核地址空间去执行这些代码完成操作,完成后,切换回Ring3,回到用户态。这样,用户态的程序就不能随意操作内核地址空间,具有一定的安全保护作用。

保护模式,通过内存页表操作等机制,保证进程间的地址空间不会互相冲突,一个进程的操作不会修改另一个进程的地址空间中的数据在内核态下,CPU可执行任何指令,在用户态下CPU只能执行非特权指令。当CPU处于内核态,可以随意进入用户态;而当CPU处于用户态,只能通过中断的方式进入内核态。一般程序一开始都是运行于用户态,当程序需要使用系统资源时,就必须通过调用软中断进入内核态.

使用nm查看用户态程序的符号表内容

使用System.map(内核符号表)查看内核符号表内容

1) 测试程序中打印用户态函数地址,并调用系统调用(在内核中打印系统调用函数地址),用"用户态符号表""内核态符号表"示例说明内核态和用户态地址空间的差异

  2) 说明内核态地址映射ioremap();用户态地址映射mmap()



4,系统调用

在系统中真正被所有进程都使用的内核通信方式是系统调用。例如当进程请求内核服务时,就使用的是系统调用。一般情况下,进程是不能够存取系统内核的。它不 能存取内核使用的内存段,也不能调用内核函数,CPU的硬件结构保证了这一点。只有系统调用是一个例外。进程使用寄存器中适当的值跳转到内核中事先定义好 的代码中执行,(当然,这些代码是只读的)。在Intel结构的计算机中,这是由中断0x80实现的。

    进程可以跳转到的内核中的位置叫做system_call。在此位置的过程检查系统调用号,它将告诉内核进程请求的服务是什么。然后,它再查找系统调用表sys_call_table,找到希望调用的内核函数的地址,并调用此函数,最后返回。

    所以,如果希望改变一个系统调用的函数,需要做的是编写一个自己的函数,然后改变sys_call_table中的指针指向该函数,最后再使用cleanup_module将系统调用表恢复到原来的状态

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