深入理解Linux原理，探究操作系统设计之道 (linux 原理)
Linux是一种开源的操作系统，由于其高度灵活的性能和可靠性得到了广泛应用。要深入了解Linux，必须了解操作系统设计的基本原理和理念。操作系统的任务是从底层管理和支持计算机系统的硬件和软件资源。
本文将探讨操作系统设计的基本原则和Linux的特点，以及开源软件的优点。
操作系统设计的原则
操作系统设计的基本原则是实现抽象层次结构，允许编程人员编写方便的应用程序，而不必了解底层硬件的细节。操作系统为程序提供了许多抽象，例如进程、文件和网络服务等。这些抽象允许编程人员编写代码，而无需考虑底层硬件的细节。
操作系统还负责协调和管理硬件资源，例如处理器、内存、输入输出设备和网络等。操作系统必须管理和优化这些资源，以确保所有应用程序都能够高效运行。此外，操作系统还具有安全性和可靠性的任务，保护系统和数据免受破坏和错误。
Linux的特点
Linux是一种典型的基于Unix的操作系统，其特点包括以下方面：
1. 开源
Linux是开源的，这使得维护、升级和改进操作系统变得更加容易。所有人都可以访问并修改Linux内核代码，以提高系统的性能和安全性。
2. 稳定性
Linux是非常稳定的，可以长时间运行，几乎不出现系统崩溃或其他错误。这是因为Linux采用了模块化的设计，使得各个模块可以独立运行，保证了系统的稳定性。
3. 安全性
Linux有很好的安全性，这是由于其多层安全机制和多种安全措施所保证的。用户可以通过许多不同的方式来保护他们的数据和系统免受外部攻击或错误。
4. 自由和灵活性
Linux具有很高的自由度和灵活性，用户可以根据自己的需要定制操作系统。例如，用户可以选择自己需要的软件包、文件系统和内核版本等。
开源软件的优点
开源软件经常被赞誉为是高度灵活、高度安全和高度可靠的。以下是一些使用开源软件的好处：
1. 节约成本
开源软件通常可以免费使用，而用户只需支付一些小费用即可获得特定的支持和服务。这意味着组织和个人可以节省大量的成本，而不必投入昂贵的资金。
2. 安全和可靠性
因为开源软件是公开的，所以任何人都可以访问和审查代码。这保证了软件的安全性和可靠性，因为所有人都可以发现和解决潜在的漏洞和错误。
3. 适应性和灵活性
开源软件通常具有很高的适应性和灵活性，用户可以根据自己的需要和需求定制软件。这使得软件可以适应不同的场景和环境。
结语
本文介绍了Linux操作系统的基本原则、特点以及开源软件的优点。操作系统设计的基本原则是实现抽象层次结构，允许编程人员编写方便的应用程序，而不必了解底层硬件的细节。Linux的特点是开源、稳定、安全和自由灵活，使得用户可以根据自己的需要来定制系统。开源软件具有节约成本、安全、可靠，适应性和灵活性等优点。深入理解Linux原理、操作系统设计的原则和优点，可以帮助我们更好地利用和推广这种开源软件平台。
相关问题拓展阅读：
安装linux系统实验原理
1) 启动vmware
虚拟机
2) 单击“文件—>新建?虚拟机”，出现“安装虚拟机向导”对话框，单击“下一步”，选“典型”；
3)“客户机操作系统”选择安装linux，版本选“redhat linux”，单击“下一步”；
4) 在“虚拟机名称”处：输入“linux”， 创建指扮猛嫌定位置(不要选择在c盘)的磁盘映像文件linux.vmx单击“下一步”，出现厅手“网络连接” 设置界面，选择“使用桥接网络” 单击下一步；
5) 磁盘容量为8g， 单击“完成”；知旁
6）编辑虚拟机设置：
双击设备栏“cd-rom”，选择“使用iso镜像”；指定
镜像文件
路径，例如： d:\redhatlinux_isofiles\redhatlinux9_i386_disc1.iso ；
floppy设备栏取消“打开电源时连接“
7) 配置步骤完成，启动系统。
linux vfs是什么？什么原理？
是哪郑裤虚拟文件系统 VFS(Virtual Filesystem Switch)
具体看看李简这篇文章，
VFS 是linux中的精华之丛昌一
VFS(Virtual Filesystem Switch
他表示虚拟文件系统，只有在系统运行时才存在。
所谓VFS就是Virtual File System虚拟文件系统，也称为虚拟文件系统开关（Virtual Filesystem Switch）.
这是Linux档案系统对外的接口。任何要使用档案系统的程序都必须经由这层接口来使用它。 VFS是一个异构文件系统之上的软件粘合层（注：有时也把VFS称为可堆叠的文件系统（Stackable Filesystem），因为VFS可以无缝地使用多个不同类型的文件系统，就像把多个文件系统堆叠在一起一样，故而得名）。通过VFS，可以为访问文件系统的系统调用提供一个统一的抽象接口。
VFS最早由Sun公司提出以实现NFS（Network FileSystem，网络文件系统）。但是现在很多Unix系统都采用了VFS（包括Linux、FreeBSD、Solaris等）。
Linux下的VFS：
VFS的作用就是采用标准的Unix系统调用哗陆读写位于不同物理介质上的不同文件系统。VFS是一个可以让open()、read()、write()等系统调用不用关心底层的存储介质和文件系统类型就可以工作的粘合层。在古老的笑物DOS操作系统中，要访问本地文件系统之外的文件系统需要使用特殊的工具才能进行。而在Linux下，通过VFS，一个抽象碰芦液的通用访问接口屏蔽了底层文件系统和物理介质的差异性。
每一种类型的文件系统代码都隐藏了实现的细节。因此，对于VFS层和内核的其它部分而言，每一种类型的文件系统看起来都是一样的。
在Linux中，VFS采用的是面向对象的编程方法。
Linux系统I/O模型及selectpollepoll原理和应用
理解Linux的IO模型之前，首先要了解一些基本概念，才能理解这些IO模型设计的依据
操作系统使用虚拟内旦谈磨存来映射物理内存，对于32位的操作系统来说，虚拟地址空间为4G（2^32）。操作系统的核心是内核，为了保护用户进程不能直接操作内核，保证内核安全，操作系统将虚拟地址空间划分为内核空间和用户空间。内核可以访问全部的地址空间，拥有访问底层硬件设备的权限，普通的应用程序需要访问硬件设备必须通过
系统调用
来实现。
对于Linux系统来说，将虚拟内存的更高1G字节的空间作为内核空间仅供内核使用，低3G字节的空间供用户进程使用，称为用户空间。
又被称为标准I/O，大多数文件系统的默认I/O都是缓存I/O。在Linux系统的缓存I/O机制中，操作系统会将I/O的数据缓存在页缓存（内存）中，也就是数据先被拷贝到内核的缓冲区（内核地址空间），然后才会从内核缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区（用户地址空间）。
这种方式很明显的缺点就是数据传输过程中需要再应用程序地址空间和内核空间进行多次数据拷贝操作，这些操作带来的CPU以及内存的开销是非常大的。
由于Linux系统采用的缓存I/O模式，对于一次I/O访问，以读操作举例，数据先会被拷贝到内核缓冲区，然后才会从内核缓冲区拷贝到应用程序的缓存区，当一个read系统调用发生的时候，会经历两个阶段：
正是因为这两个状态，Linux系统才产生了多种不同的网络I/O模式的方案
Linux系统默认情况下所有socke都是blocking的，一个读操作流程如下：
以UDP socket为例，当用户进程调用了recvfrom系统调用，如果数据还没准备好，应用进程被阻塞，内核直到数据到来且将数据从内核缓冲区拷贝到了应用进程缓冲区，然后向用户进程返回结果，用户进程才解除block状态，重新运行起来。
阻塞模行下只是阻塞了当前的应用进程，其他进程还可以执行，不消耗CPU时间，CPU的利用率较高。
Linux可以设置socket为非阻塞的，非阻塞模式下执行一个读操作流程如下：
当用户进程发出recvfrom系统调用时，如果kernel中的数据还没准备好，模斗recvfrom会立即返回一个error结果，不会阻塞用户进程，用户进程收到error时知道数据还没准备好，过一会再调用recvfrom，直到kernel中的数据准备好了，内核就立即将数据拷贝到用户内存然后返回ok，这个过程需要用户进程去轮询内核数据是否准备好。
非阻塞模型下由于要处理更多的系统调用，因此CPU利用率比较低。
应用进程使用sigaction系统调用，内核立即返回，等到kernel数据准备好时会给用户进程发送一个信号，告诉用户进程可以进行IO操作了，然后用户进程再调用IO系统调用如recvfrom，将数据从内核缓冲区拷贝到应用进程。流程如下：
相比于轮询的方式，不需要多次系统调用轮询，信号驱动IO的CPU利用率更高。
异步IO模型与其他模型更大的区别是，异步IO在系统调用返回的时候所有操作都已经完成，应用进程既不需要等待数据准备，也不需要在数据到来后等待数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区，流程如下：
在数据拷贝完成后，kernel会给用户进程发送一个信号告诉其read操作完成了。
是用select、poll等待数据，可以等待多个socket中的任一个变为可读，这一过程会被阻塞，当某个套接字数据到来时返回，之后再用recvfrom系统调用把数据从内核缓存区复制到用户进程，流程如下：
流程类似阻塞IO，甚至比阻塞IO更差，多使用了一个系统调用，但是IO多路复用更大的侍兄特点是让单个进程能同时处理多个IO事件的能力，又被称为事件驱动IO，相比于多线程模型，IO复用模型不需要线程的创建、切换、销毁，系统开销更小，适合高并发的场景。
select是IO多路复用模型的一种实现，当select函数返回后可以通过轮询fdset来找到就绪的socket。
优点是几乎所有平台都支持，缺点在于能够监听的fd数量有限，Linux系统上一般为1024，是写死在宏定义中的，要修改需要重新编译内核。而且每次都要把所有的fd在用户空间和内核空间拷贝，这个操作是比较耗时的。
poll和select基本相同，不同的是poll没有更大fd数量限制（实际也会受到物理资源的限制，因为系统的fd数量是有限的），而且提供了更多的时间类型。
总结：select和poll都需要在返回后通过轮询的方式检查就绪的socket，事实上同时连的大量socket在一个时刻只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的变多，其性能也会逐渐下降。
epoll是select和poll的改进版本，更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。
epoll_create()用来创建一个epoll句柄。
epoll_ctl() 用于向内核注册新的描述符或者是改变某个文件描述符的状态。已注册的描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上，通过回调函数内核会将 I/O 准备好的描述符加入到一个就绪链表中管理。
epoll_wait() 可以从就绪链表中得到事件完成的描述符，因此进程不需要通过轮询来获得事件完成的描述符。
当epoll_wait检测到描述符IO事件发生并且通知给应用程序时，应用程序可以不立即处理该事件，下次调用epoll_wait还会再次通知该事件，支持block和nonblocking socket。
当epoll_wait检测到描述符IO事件发生并且通知给应用程序时，应用程序需要立即处理该事件，如果不立即处理，下次调用epoll_wait不会再次通知该事件。
ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用nonblocking socket，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
【segmentfault】 Linux IO模式及 select、poll、epoll详解
【GitHub】 CyC2023/CS-Notes
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