读《莱昂氏UNIX源代码分析》

读《莱昂氏UNIX源代码分析》

在unix早期的代码中，schedule和swap两个核心任务都是由0号进程来负责的，这个朴实的设计就是unix系统最最原始的设计，因为unix在开始设计的时候十分清楚进程应该做什么不应该做什么，应该做它本职的工作，而诸如调度和置换之类的任务不应该由用户进程负责，但是linux后来颠覆了这个想法，毕竟频繁的切换带来的开销已经基本抵消了分工设计带来的优雅，于是就将调度工作分担给了各个进程本身，而置换工作仍旧由 内核进程来完成但是却不是0号进程，而0号进程最终退化成了一个idle进程。

我们从原始的unix 6的代码中可以看到schedule的实现，该实现中一共进行了两次切换而不是像linux中的那样仅仅一次，起初切换到0号进程，实际上就是切换了一下堆栈，核心堆栈切换到了0号进程就可以说当前的进程是0号进程了，代码执行流依旧往下走，切换堆栈并没有修改pc寄存器的值，因此进行了第一次切换以后的代码就成了0号进程执行的了，0号进程接下来做什么呢？其实很简单，就是在所有被换进内存的进程中找一个最值得运行的，这就涉及到了具体的调度策略。待0号进程选择好了下一个进程之后，最后进行第二次切换，也就是切换到这个被选中的进程，切换的过程是简单的，就是核心栈的切换，然后就是切换页表，实际上那个时候的页表被叫做区表，系统还没有实现完全的虚拟内存管理，PDP-11机器使用寄存器来实现类似X86页表的功能，在切换的过程中，将负责“虚拟页面”和物理页面映射的寄存器修改一下就可以了，因为一个时刻只有一个进程是运行态，所以进程的核心栈所在的位置是一个确定的位置，unix的这个设计非常好，系统变得简单，只需要将这个确定位置的“虚拟内存”地址指向新进程的物理内存地址就可以了，物理内存由malloc分配，注意和标准c库的malloc的区别和联系，区别是功能不同，联系是实现思想相同。这里不深谈其它的地址映射，实际上内核空间的代码是共享的，而用户空间的不同，PDP-11机器分别用两组寄存器来进行内核空间和用户空间的地址映射，由此可见内核空间的映射是相同的，并且和后来的linux一样，也用了一一的线性映射。这里可以看出代码和数据的区别，虽然在调度函数里面执行的是一个函数的代码，但是却是不同的3个进程在执行，所以正是数据将进程区别了开来，而不是代码，数据又被分为堆栈等等，因此切换了堆栈就是切换了进程，当然这里的堆栈是核心堆栈。这个设计被后来的windows所采用，一直到现在的Windows NT都直接体现了古老的unix的这一思想，将核心堆栈等等一些核心的数据结构放置于一个固定的内存地址，而linux却不是这样，这得益于linux中task_struct这一精巧结构的实现，在windows中和unix一样也是将进程的控制块分为了类似U区和proc结构，并且unix自从设计之初，优先级的概念就很重要，后来windows的IRQL也是借鉴了这一思想，说说看，linux是类unix系统吗？除了API一样之外几乎完全颠覆了unix的一切，倒不如说windows的某些设计和unix很相似，当然这里不谈微内核和大内核。

通观unix 6代码的fork和newproc函数的实现，简直叫一个妙啊，很简单，很明了，在父进程中直接返回子进程的pid，而子进程直接挂入进程队列，待到系统进行调度的时候也就是switch的时候，子进程会返回switch的返回值，也就是0，switch的返回值简直就是一石三鸟啊！unix在当时其实还没有完全实现虚拟存储，仅仅是很朴素的虚拟内存的概念，因此并没有后来复杂的请求调页机制，而是整个进程的换入换出，负责这件事的就是0号进程最后的那个无限大循环。在linux的请求调页实现中，专门有一个内核线程负责页面的换入和换出，当然必须处理的就是缺页异常，linux靠缺页处理以及kswapd实现了请求调页。

总之，如果你想深入理解操作系统原理，那么务必看一下《莱昂氏UNIX源代码分析》这一本书，这本书的分量可以任何讲操作系统的书都要重，从中你可以得到操作系统最精髓的部分，比现如今动则五六百页的书要简单得多，简单就是美。只求理解精髓！10000行左右的代码竟然诠释了如此一个庞然大物，并且作为后面几乎所有操作系统的蓝本一直发展壮大着，直到现在。

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