Linux系统分析基础

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Linux系统分析第1讲 Linux系统分析基础

叶保留yebl@http://www.77cn.com.cn

南京大学计算机科学与技术系

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教学目标 了解Linux发展概况 了解Linux内核结构及编译方法 掌握Linux基本编程方法 掌握GNU编程工具 理解Linux程序执行机制

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主要内容 Linux简介 Linux内核环境 Linux编程环境 GNU make管理项目 Linux的程序执行机制

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初识Linux 类Unix(Unix-like)操作系统

其他类UNIX系统包括Solaris、Mac OS等

基于GPL(GNU Public License)的自由操作系统

第一个版本发行于1991年

主要用C语言编写，部分代码用汇编语言编写 ―Linux‖在不同语境下的内涵不同

简 介

Linux4

Linux内核、Linux系统、Linux开发套件等 严格来说，Linux指由Linux Torvalds维护(及通过主要 镜像网站发布)的内核

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Linux发展史 1991年11月，芬兰赫尔辛基大学的 Linus Torvalds

编写了一个小程序(取名为Linux),发布在互联网上 希望借此实现一个操作系统“内核” 一批高水平网络黑客参与，诞生Linux 1.0 版 Linux 的第一个商业版 Slackware 问世

1993年Linux5

1994年

简 介 1996年 美国国家标准技术局计算机系统实验室确认 Linux 版本 1.2.13符合 POSIX 标准

2001年

Linux2.4版内核发布 Linux2.6版内核发布

2003年

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Linux操作系统特征 符合POSIX标准规范的操作系统

Portable Operation System Interface of Unix:可移植的 操作系统接口 由IEEE开发，ANSI和ISO标准化 抢占式多任务处理，支持多用户 图形用户接口 异构硬件支持 支持SMP 支持TCP/IP 多体系结构支持，支持32/64位CPU NFS、VFS、高效的EXT系列文件系统等

具备现代操作系统的基本功能

简 介

Linux6

拥有其他操作系统没有的特色

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Linux精髓 代表一种开源文化

免费软件，开放源代码 自由软件，可在原有程序基础上开发自己的程序 GNU/Linux Linux仅指Linux内核 Linux系统的大部分应用都建立在GNU软件之上

简 核心结构 介 Linux内核 Linux Shell Linux文件系统 Linux应用系统 GNU Tools7

Linux

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Linux的系统结构(the users) Shells and commands Compilers and interpreters System libraries System-call interface to the kernel Signals terminal File system swapping handling block I/O system character I/O system disk and tape driver terminal drivers CPU scheduling page replacement demand paging virtual memory

用户应用程序

用户态Shell,库函数系统调用 内核实现

简 介

Linux8

核心态

Kernel interface to the hardware Terminal controllers terminals Device controllers disks and tapes Memory controllers physical memory

硬件资源管理接口

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划分用户态/内核态的必要性 不区分的缺陷

用户直接修改操作系统的数据 用户直接调用操作系统的内部函数 用户直接操作外设 用户任意读/写物理内存

简 介

Linux9

区分的意义

禁止用户程序和底层硬件直接打交道 如果用户程序往硬件控制寄存器写入不恰当的值，可 能导致硬件无法正常工作 禁止用户程序访问任意物理内存，否则可能会破坏其他 程序的正常执行 如果对核心内核所在的地址空间写入数据，会导致系 统崩溃

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CPU对用户态/和心态划分的支持 现代CPU都有几种不同指令执行级别

在高执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任意的 物理地址，这种CPU执行级别就对应着内核态 在相应低级别执行状态下，代码的掌控范围会受到限制， 只能在对应级别允许的范围内活动 intel x86 CPU有四种不同的执行级别0-3 Linux只使用0级和3级分别表示内核态和用户态

简 介

Linux10

举例

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用户态/和心态的区分方法 cs寄存器最低两位表明当前代码的特权级

CPU每条指令的读取都是通过cs:eip这两个寄存器 cs:代码段选择寄存器 eip:偏移量寄存器 上述判断由硬件完成

简 介

Linux11

在Linux中，地址空间是一个显著的标志

0xc0000000以上地址空间：只能在内核态下访问 0x00000000 ~ 0xbfffffff的地址空间：两种状态下都可访 问 注意，这里的地址空间是逻辑地址而不是物理地址

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Linux的内核特点 Linux是单内核、多模块系统

简 介

Linux内核运行在单独的内核地址空间 所有操作系统功能作为一个模块实现在其内核中 模块均运行在内核态，直接调用函数，无需消息传递 具备模块化设计、抢占式内核(Linux 2.6支持，Linux 2.4 用户级抢占)、支持内核线程及动态装载内核模块的能力 与Unix主要区别 Linux汲取了微内核设计思想(基于模块定制内核)

Linux12

Unix也是单内核系统 Windows NT和Mach是微内核系统

只提供基础功能，其他功能通过服务实现 微内核功能被划分为多个独立过程，每个过程称为服务 器

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Linux单内核结构应用程序 用户态 标准函数库

简 介

Linux13

系统调用(POSIX标准)接口

单内核

模块

模块 接口

设备 驱动

驱动 接口

内核 (进程管理、存储 管理、文件管理、 设备管理、网络 管理)

核心态

计算机硬件

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Linux的内核版本 Linux内核版本指由Linux开发小组(Linus Torvalds总协调)开发出系统内核的版本号 Linux内核采用双树系统

一棵是稳定树，主要用于发行 另一棵是非稳定树(开发树),用于产品开发和改进

简 介第1位数字r 为主版本号

Linux14

Linux内核版本号由3位数字组成r.x.y第3位数字y为修改号， 表

示错误修补的次数 第2位数字x为说明版本类型的次版 本号： 偶数表示产品化版本 奇数表示实验版本

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主流的Linux发行版本

简 介

Linux15

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Linux与Windows的区别 文件系统

Linux需要一个挂载根目录/的ext分区和一个作为虚拟内 存的swap分区 Linux没有盘符，可通过设备名挂载，挂在信息在 /dev/fstab,如 mount -t ntfs /dev/sda1 /mnt/win_c

简 Linux将所有设备都映射成/dev目录下的一个文件 介 用户管理 系统管理员是root,使用su命令切换

Linux16