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Linux是一種開(kāi)源的操作系統(tǒng)，由于其高度靈活的性能和可靠性得到了廣泛應(yīng)用。要深入了解Linux，必須了解操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和理念。操作系統(tǒng)的任務(wù)是從底層管理和支持計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源。
本文將探討操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和Linux的特點(diǎn)，以及開(kāi)源軟件的優(yōu)點(diǎn)。
操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則
操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則是實(shí)現(xiàn)抽象層次結(jié)構(gòu)，允許編程人員編寫(xiě)方便的應(yīng)用程序，而不必了解底層硬件的細(xì)節(jié)。操作系統(tǒng)為程序提供了許多抽象，例如進(jìn)程、文件和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。這些抽象允許編程人員編寫(xiě)代碼，而無(wú)需考慮底層硬件的細(xì)節(jié)。
操作系統(tǒng)還負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理硬件資源，例如處理器、內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)等。操作系統(tǒng)必須管理和優(yōu)化這些資源，以確保所有應(yīng)用程序都能夠高效運(yùn)行。此外，操作系統(tǒng)還具有安全性和可靠性的任務(wù)，保護(hù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)免受破壞和錯(cuò)誤。
Linux的特點(diǎn)
Linux是一種典型的基于Unix的操作系統(tǒng)，其特點(diǎn)包括以下方面：
1. 開(kāi)源
Linux是開(kāi)源的，這使得維護(hù)、升級(jí)和改進(jìn)操作系統(tǒng)變得更加容易。所有人都可以訪問(wèn)并修改Linux內(nèi)核代碼，以提高系統(tǒng)的性能和安全性。
2. 穩(wěn)定性
Linux是非常穩(wěn)定的，可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，幾乎不出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰或其他錯(cuò)誤。這是因?yàn)長(zhǎng)inux采用了模塊化的設(shè)計(jì)，使得各個(gè)模塊可以獨(dú)立運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3. 安全性
Linux有很好的安全性，這是由于其多層安全機(jī)制和多種安全措施所保證的。用戶(hù)可以通過(guò)許多不同的方式來(lái)保護(hù)他們的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)免受外部攻擊或錯(cuò)誤。
4. 自由和靈活性
Linux具有很高的自由度和靈活性，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要定制操作系統(tǒng)。例如，用戶(hù)可以選擇自己需要的軟件包、文件系統(tǒng)和內(nèi)核版本等。
開(kāi)源軟件的優(yōu)點(diǎn)
開(kāi)源軟件經(jīng)常被贊譽(yù)為是高度靈活、高度安全和高度可靠的。以下是一些使用開(kāi)源軟件的好處：
1. 節(jié)約成本
開(kāi)源軟件通?？梢悦赓M(fèi)使用，而用戶(hù)只需支付一些小費(fèi)用即可獲得特定的支持和服務(wù)。這意味著組織和個(gè)人可以節(jié)省大量的成本，而不必投入昂貴的資金。
2. 安全和可靠性
因?yàn)殚_(kāi)源軟件是公開(kāi)的，所以任何人都可以訪問(wèn)和審查代碼。這保證了軟件的安全性和可靠性，因?yàn)樗腥硕伎梢园l(fā)現(xiàn)和解決潛在的漏洞和錯(cuò)誤。
3. 適應(yīng)性和靈活性
開(kāi)源軟件通常具有很高的適應(yīng)性和靈活性，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要和需求定制軟件。這使得軟件可以適應(yīng)不同的場(chǎng)景和環(huán)境。
結(jié)語(yǔ)
本文介紹了Linux操作系統(tǒng)的基本原則、特點(diǎn)以及開(kāi)源軟件的優(yōu)點(diǎn)。操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則是實(shí)現(xiàn)抽象層次結(jié)構(gòu)，允許編程人員編寫(xiě)方便的應(yīng)用程序，而不必了解底層硬件的細(xì)節(jié)。Linux的特點(diǎn)是開(kāi)源、穩(wěn)定、安全和自由靈活，使得用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要來(lái)定制系統(tǒng)。開(kāi)源軟件具有節(jié)約成本、安全、可靠，適應(yīng)性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)。深入理解Linux原理、操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和優(yōu)點(diǎn)，可以幫助我們更好地利用和推廣這種開(kāi)源軟件平臺(tái)。
相關(guān)問(wèn)題拓展閱讀：
- 安裝linux系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理
- linux vfs是什么？什么原理？
- Linux系統(tǒng)I/O模型及selectpollepoll原理和應(yīng)用
安裝linux系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理
1) 啟動(dòng)vmware
虛擬機(jī)
2) 單擊“文件—>新建?虛擬機(jī)”，出現(xiàn)“安裝虛擬機(jī)向?qū)А睂?duì)話框，單擊“下一步”，選“典型”；
3)“客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)”選擇安裝linux，版本選“redhat linux”，單擊“下一步”；
4) 在“虛擬機(jī)名稱(chēng)”處：輸入“l(fā)inux”， 創(chuàng)建指扮猛嫌定位置(不要選擇在c盤(pán))的磁盤(pán)映像文件linux.vmx單擊“下一步”，出現(xiàn)廳手“網(wǎng)絡(luò)連接” 設(shè)置界面，選擇“使用橋接網(wǎng)絡(luò)” 單擊下一步；
5) 磁盤(pán)容量為8g， 單擊“完成”；知旁
6）編輯虛擬機(jī)設(shè)置：
雙擊設(shè)備欄“cd-rom”，選擇“使用iso鏡像”；指定
鏡像文件
路徑，例如： d:\redhatlinux_isofiles\redhatlinux9_i386_disc1.iso ；
floppy設(shè)備欄取消“打開(kāi)電源時(shí)連接“
7) 配置步驟完成，啟動(dòng)系統(tǒng)。
linux vfs是什么？什么原理？
是哪鄭褲虛擬文件系統(tǒng) VFS(Virtual Filesystem Switch)
具體看看李簡(jiǎn)這篇文章，
VFS 是linux中的精華之叢昌一
VFS(Virtual Filesystem Switch
他表示虛擬文件系統(tǒng)，只有在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)才存在。
所謂VFS就是Virtual File System虛擬文件系統(tǒng)，也稱(chēng)為虛擬文件系統(tǒng)開(kāi)關(guān)（Virtual Filesystem Switch）.
這是Linux檔案系統(tǒng)對(duì)外的接口。任何要使用檔案系統(tǒng)的程序都必須經(jīng)由這層接口來(lái)使用它。 VFS是一個(gè)異構(gòu)文件系統(tǒng)之上的軟件粘合層（注：有時(shí)也把VFS稱(chēng)為可堆疊的文件系統(tǒng)（Stackable Filesystem），因?yàn)閂FS可以無(wú)縫地使用多個(gè)不同類(lèi)型的文件系統(tǒng)，就像把多個(gè)文件系統(tǒng)堆疊在一起一樣，故而得名）。通過(guò)VFS，可以為訪問(wèn)文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用提供一個(gè)統(tǒng)一的抽象接口。
VFS最早由Sun公司提出以實(shí)現(xiàn)NFS（Network FileSystem，網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）。但是現(xiàn)在很多Unix系統(tǒng)都采用了VFS（包括Linux、FreeBSD、Solaris等）。
Linux下的VFS：
VFS的作用就是采用標(biāo)準(zhǔn)的Unix系統(tǒng)調(diào)用嘩陸讀寫(xiě)位于不同物理介質(zhì)上的不同文件系統(tǒng)。VFS是一個(gè)可以讓open()、read()、write()等系統(tǒng)調(diào)用不用關(guān)心底層的存儲(chǔ)介質(zhì)和文件系統(tǒng)類(lèi)型就可以工作的粘合層。在古老的笑物DOS操作系統(tǒng)中，要訪問(wèn)本地文件系統(tǒng)之外的文件系統(tǒng)需要使用特殊的工具才能進(jìn)行。而在Linux下，通過(guò)VFS，一個(gè)抽象碰蘆液的通用訪問(wèn)接口屏蔽了底層文件系統(tǒng)和物理介質(zhì)的差異性。
每一種類(lèi)型的文件系統(tǒng)代碼都隱藏了實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。因此，對(duì)于VFS層和內(nèi)核的其它部分而言，每一種類(lèi)型的文件系統(tǒng)看起來(lái)都是一樣的。
在Linux中，VFS采用的是面向?qū)ο蟮木幊谭椒ā?/p>
Linux系統(tǒng)I/O模型及selectpollepoll原理和應(yīng)用
理解Linux的IO模型之前，首先要了解一些基本概念，才能理解這些IO模型設(shè)計(jì)的依據(jù)
操作系統(tǒng)使用虛擬內(nèi)旦談磨存來(lái)映射物理內(nèi)存，對(duì)于32位的操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，虛擬地址空間為4G（2^32）。操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核，為了保護(hù)用戶(hù)進(jìn)程不能直接操作內(nèi)核，保證內(nèi)核安全，操作系統(tǒng)將虛擬地址空間劃分為內(nèi)核空間和用戶(hù)空間。內(nèi)核可以訪問(wèn)全部的地址空間，擁有訪問(wèn)底層硬件設(shè)備的權(quán)限，普通的應(yīng)用程序需要訪問(wèn)硬件設(shè)備必須通過(guò)
系統(tǒng)調(diào)用
來(lái)實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于Linux系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，將虛擬內(nèi)存的更高1G字節(jié)的空間作為內(nèi)核空間僅供內(nèi)核使用，低3G字節(jié)的空間供用戶(hù)進(jìn)程使用，稱(chēng)為用戶(hù)空間。
又被稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)I/O，大多數(shù)文件系統(tǒng)的默認(rèn)I/O都是緩存I/O。在Linux系統(tǒng)的緩存I/O機(jī)制中，操作系統(tǒng)會(huì)將I/O的數(shù)據(jù)緩存在頁(yè)緩存（內(nèi)存）中，也就是數(shù)據(jù)先被拷貝到內(nèi)核的緩沖區(qū)（內(nèi)核地址空間），然后才會(huì)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的緩沖區(qū)（用戶(hù)地址空間）。
這種方式很明顯的缺點(diǎn)就是數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中需要再應(yīng)用程序地址空間和內(nèi)核空間進(jìn)行多次數(shù)據(jù)拷貝操作，這些操作帶來(lái)的CPU以及內(nèi)存的開(kāi)銷(xiāo)是非常大的。
由于Linux系統(tǒng)采用的緩存I/O模式，對(duì)于一次I/O訪問(wèn)，以讀操作舉例，數(shù)據(jù)先會(huì)被拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，然后才會(huì)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的緩存區(qū)，當(dāng)一個(gè)read系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生的時(shí)候，會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段：
正是因?yàn)檫@兩個(gè)狀態(tài)，Linux系統(tǒng)才產(chǎn)生了多種不同的網(wǎng)絡(luò)I/O模式的方案
Linux系統(tǒng)默認(rèn)情況下所有socke都是blocking的，一個(gè)讀操作流程如下：
以UDP socket為例，當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程調(diào)用了recvfrom系統(tǒng)調(diào)用，如果數(shù)據(jù)還沒(méi)準(zhǔn)備好，應(yīng)用進(jìn)程被阻塞，內(nèi)核直到數(shù)據(jù)到來(lái)且將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到了應(yīng)用進(jìn)程緩沖區(qū)，然后向用戶(hù)進(jìn)程返回結(jié)果，用戶(hù)進(jìn)程才解除block狀態(tài)，重新運(yùn)行起來(lái)。
阻塞模行下只是阻塞了當(dāng)前的應(yīng)用進(jìn)程，其他進(jìn)程還可以執(zhí)行，不消耗CPU時(shí)間，CPU的利用率較高。
Linux可以設(shè)置socket為非阻塞的，非阻塞模式下執(zhí)行一個(gè)讀操作流程如下：
當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程發(fā)出recvfrom系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，如果kernel中的數(shù)據(jù)還沒(méi)準(zhǔn)備好，模斗recvfrom會(huì)立即返回一個(gè)error結(jié)果，不會(huì)阻塞用戶(hù)進(jìn)程，用戶(hù)進(jìn)程收到error時(shí)知道數(shù)據(jù)還沒(méi)準(zhǔn)備好，過(guò)一會(huì)再調(diào)用recvfrom，直到kernel中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，內(nèi)核就立即將數(shù)據(jù)拷貝到用戶(hù)內(nèi)存然后返回ok，這個(gè)過(guò)程需要用戶(hù)進(jìn)程去輪詢(xún)內(nèi)核數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。
非阻塞模型下由于要處理更多的系統(tǒng)調(diào)用，因此CPU利用率比較低。
應(yīng)用進(jìn)程使用sigaction系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核立即返回，等到kernel數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)會(huì)給用戶(hù)進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號(hào)，告訴用戶(hù)進(jìn)程可以進(jìn)行IO操作了，然后用戶(hù)進(jìn)程再調(diào)用IO系統(tǒng)調(diào)用如recvfrom，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用進(jìn)程。流程如下：
相比于輪詢(xún)的方式，不需要多次系統(tǒng)調(diào)用輪詢(xún)，信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO的CPU利用率更高。
異步IO模型與其他模型更大的區(qū)別是，異步IO在系統(tǒng)調(diào)用返回的時(shí)候所有操作都已經(jīng)完成，應(yīng)用進(jìn)程既不需要等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，也不需要在數(shù)據(jù)到來(lái)后等待數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶(hù)緩沖區(qū)，流程如下：
在數(shù)據(jù)拷貝完成后，kernel會(huì)給用戶(hù)進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號(hào)告訴其read操作完成了。
是用select、poll等待數(shù)據(jù)，可以等待多個(gè)socket中的任一個(gè)變?yōu)榭勺x，這一過(guò)程會(huì)被阻塞，當(dāng)某個(gè)套接字?jǐn)?shù)據(jù)到來(lái)時(shí)返回，之后再用recvfrom系統(tǒng)調(diào)用把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩存區(qū)復(fù)制到用戶(hù)進(jìn)程，流程如下：
流程類(lèi)似阻塞IO，甚至比阻塞IO更差，多使用了一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，但是IO多路復(fù)用更大的侍兄特點(diǎn)是讓單個(gè)進(jìn)程能同時(shí)處理多個(gè)IO事件的能力，又被稱(chēng)為事件驅(qū)動(dòng)IO，相比于多線程模型，IO復(fù)用模型不需要線程的創(chuàng)建、切換、銷(xiāo)毀，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)更小，適合高并發(fā)的場(chǎng)景。
select是IO多路復(fù)用模型的一種實(shí)現(xiàn)，當(dāng)select函數(shù)返回后可以通過(guò)輪詢(xún)fdset來(lái)找到就緒的socket。
優(yōu)點(diǎn)是幾乎所有平臺(tái)都支持，缺點(diǎn)在于能夠監(jiān)聽(tīng)的fd數(shù)量有限，Linux系統(tǒng)上一般為1024，是寫(xiě)死在宏定義中的，要修改需要重新編譯內(nèi)核。而且每次都要把所有的fd在用戶(hù)空間和內(nèi)核空間拷貝，這個(gè)操作是比較耗時(shí)的。
poll和select基本相同，不同的是poll沒(méi)有更大fd數(shù)量限制（實(shí)際也會(huì)受到物理資源的限制，因?yàn)橄到y(tǒng)的fd數(shù)量是有限的），而且提供了更多的時(shí)間類(lèi)型。
總結(jié)：select和poll都需要在返回后通過(guò)輪詢(xún)的方式檢查就緒的socket，事實(shí)上同時(shí)連的大量socket在一個(gè)時(shí)刻只有很少的處于就緒狀態(tài)，因此隨著監(jiān)視的描述符數(shù)量的變多，其性能也會(huì)逐漸下降。
epoll是select和poll的改進(jìn)版本，更加靈活，沒(méi)有描述符限制。epoll使用一個(gè)文件描述符管理多個(gè)描述符，將用戶(hù)關(guān)系的文件描述符的事件存放到內(nèi)核的一個(gè)事件表中，這樣在用戶(hù)空間和內(nèi)核空間的copy只需一次。
epoll_create()用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)epoll句柄。
epoll_ctl() 用于向內(nèi)核注冊(cè)新的描述符或者是改變某個(gè)文件描述符的狀態(tài)。已注冊(cè)的描述符在內(nèi)核中會(huì)被維護(hù)在一棵紅黑樹(shù)上，通過(guò)回調(diào)函數(shù)內(nèi)核會(huì)將 I/O 準(zhǔn)備好的描述符加入到一個(gè)就緒鏈表中管理。
epoll_wait() 可以從就緒鏈表中得到事件完成的描述符，因此進(jìn)程不需要通過(guò)輪詢(xún)來(lái)獲得事件完成的描述符。
當(dāng)epoll_wait檢測(cè)到描述符IO事件發(fā)生并且通知給應(yīng)用程序時(shí)，應(yīng)用程序可以不立即處理該事件，下次調(diào)用epoll_wait還會(huì)再次通知該事件，支持block和nonblocking socket。
當(dāng)epoll_wait檢測(cè)到描述符IO事件發(fā)生并且通知給應(yīng)用程序時(shí)，應(yīng)用程序需要立即處理該事件，如果不立即處理，下次調(diào)用epoll_wait不會(huì)再次通知該事件。
ET模式在很大程度上減少了epoll事件被重復(fù)觸發(fā)的次數(shù)，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的時(shí)候，必須使用nonblocking socket，以避免由于一個(gè)文件句柄的阻塞讀/阻塞寫(xiě)操作把處理多個(gè)文件描述符的任務(wù)餓死。
【segmentfault】 Linux IO模式及 select、poll、epoll詳解
【GitHub】 CyC2023/CS-Notes
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