软件系统开发及Linux概念架构理解

> 有关软件系统开发，我们谈些什么？

　　我们谈过程，编码规范、开发流程、同行评审、结对编程、持续集成，从瀑布到敏捷再到极限编程。

　　我们谈架构，企业级、J2EE、容器化、SOA（面向服务架构）、Microservices（微服务化）。

　　我们谈规模，大容量、高并发、大数据。

　　我们还谈可靠性、可用率、n个9、响应时间等等。。。

安全和效率的平衡，是所有工程技术的核心。软件系统开发也就是围绕根本的基础上确保安全与提高效率。可靠性、可用性和容灾设计这些活动都是围绕
“安全” 这个核心，而性能优化，提升响应性则是围绕 “效率”。

> Linux kernel成功的两个原因：（1）架构设计支持大量的志愿开发者加入到开发过程中；（2）每个子系统，尤其是那些需要改进的，都支持很好的扩展性。正是这两个原因使得Linux kernel可以不断进化。

计算机系统分层结构的原则：the
dependencies between subsystems are from the top down: layers pictured near the top depend on lower layers, but subsystems nearer the bottom do not depend on higher layers.

内核的作用

虚拟化(抽象)，将计算机硬件抽象为一台虚拟机，供用户进程(process)使用；进程运行时完全不需要知道硬件是如何工作的，只要调用Linux kernel提供的虚拟接口(virtual interface)即可。
多任务处理，实际上是多个任务在并行使用计算机硬件资源，内核的任务是仲裁对资源的使用，制造每个进程都以为自己是独占系统的错觉。

　　PS：进程上下文切换就是要换掉程序状态字、换掉页表基地址寄存器的内容、换掉current指向的task_struct实例、换掉PC——>也就换掉了进程打开的文件(通过task_struct的files可以找到)、换掉了进程内存的执行空间(通过task_struct的mem可以找到)；

硬件设备驱动（hardware device drivers）、文件系统模块（logical filesystem modules）、网络设备驱动（network device drivers）和网络协议模块（network protocol modules）这四个模块的可扩展性最高。

...系统中的数据结构

Task List

Process Scheduler针对每个进程维护一个数据结构task_struct；所有的进程用链表管理，形成task list；process scheduler还维护一个current指针指向当前正在占用CPU的进程。
Memory Map

Memory Manager存储每个进程的虚拟地址到物理地址的映射；并且也提供了如何换出特定的页，或者是如何进行缺页处理。这些信息存放在数据结构mm_struct中。每个进程都有一个mm_struct结构，在进程的task_struct结构中有一个指针mm指向次进程的mm_struct结构。

在mm_struct中有一个指针pgd，指向该进程的页目录表（即存放页目录首地址）——>当该进程被调度时，此指针被换成物理地址，写入控制寄存器CR3(x86体系结构下的页基址寄存器)
I-nodes

VFS通过inodes节点表示磁盘上的文件镜像，inodes用于记录文件的物理属性。每个进程都有一个files_struct结构，用于表示该进程打开的文件，在task_struct中有个files指针。使用inodes节点可以实现文件共享。文件共享有两种方式：（1）通过同一个系统打开文件file指向同一个inodes节点，这种情况发生于父子进程间；（2）通过不同系统打开文件指向同一个inode节点，举例有硬链接；或者是两个不相关的指针打开同一个文件。
Data Connection

内核中所有的数据结构的根都在Process Scheduler维护的task list链表中。系统中每个进程的的数据结构task_struct中有一个指针mm指向它的内存映射信息；也有一个指针files指向它打开的文件（用户打开文件表）；还有一个指针指向该进程打开的网络套接字。

》Linux内核是整个Linux系统中的一层。内核从概念上由五个主要的子系统构成：进程调度器模块、内存管理模块、虚拟文件系统、网络接口模块和进程间通信模块。这些模块之间通过函数调用和共享数据结构进行数据交互。Linux内核架构促进了它的成功，这种架构使得大量的志愿开发人员可以合适的分工合作，并且使得各个特定的模块便于扩展。

可扩展性一：Linux架构通过一项数据抽象技术使得这些子系统成为可扩展的——每个具体的硬件设备驱动都实现为单独的模块，该模块支持内核提供的统一的接口。通过这种方式，个人开发者只需要和其他内核开发者做最少的交互，就可以为Linux内核添加新的设备驱动。
可扩展性二：Linux内核支持多种不同的体系结构。在每个子系统中，都将体系结构相关的代码分割出来，形成单独的模块。通过这种方法，一些厂家在推出他们自己的芯片时，他们的内核开发小组只需要重新实现内核中机器相关的代码，就可以讲内核移植到新的芯片上运行。