虽然计算机相关专业，操作系统和计算机组成原理是必修课。但是大学时和真正从事相关专业工作之后，对于知识的认知自然会发生变化。还很有可能，一辈子呆在学校的老师们只是照本宣科，自己的理解也不深。所以今天我站在真正排查解决问题时的需要层面，用白话说一说linux操作系统的那些知识。
本文整体采用的是类似递归调用的递进式结构。
linux内核的本质
简单来说如上图所示，咱们平时的应用程序或者linux命令要和操作系统打交道，都要经过一个叫做linux内核的软件。所有的硬件操作都需要通过他。就像古代女子出嫁，都要有媒人。
本文不是为封装制度正名。想表达的是：媒人最初是一种保护机制。而linux之父林纳斯最初设计linux内核也是设计成一种保护机制。
为什么说linux内核是一种保护机制呢，这要从冯·诺依曼体系结构说起。
冯·诺依曼体系结构
冯·诺依曼体系结构的要点是：
计算机的数制采用二进制。计算机应该按照程序顺序执行。它采用存储程序方式，指令和数据不加区别，混合存储在同一个存储器中。数据和程序在内存中是没有区别的，它们都是内存中的数据。当EIP指针指向哪，CPU就加载哪段内存中的数据。如果是不正确的指令格式，CPU就会发生错误中断。
这里提到计算机是在顺序的执行指令，但是咱们明明可以一边听歌一边敲代码。这个除了在目前多CPU架构下可以实现，之前单CPU下也可以实现。因为有时钟分片。如果没有插入优先级高的任务，cpu会在均匀的执行多项任务分片。因为CPU执行速度快，人可能完全感觉不到实际上是断续执行的。
不过我记得上大学的时候，03年我买了一台笔记本用来打魔兽。当时可是用的市面上的顶配呢。有时候还是会一卡一卡的。可以切身感受到时钟分片。
如果出现错误，可以通过中断来处理。中断也需要等待时钟分片。好在linux内核的分片十分合理，让中断可以及时响应。
在现代CPU的保护模式中，每个内存段都有其描述符。这个描述符记录着这个内存段的访问权限。在《接下来一段时间会对大家进行网络通信的魔鬼训练-理解socket》里我就提到过文件描述符。这里稍详细的解释下。
文件描述符
linux系统中，一切皆文件。文件描述符是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。
文件描述符、文件、进程间的关系
1.描述：
- 每个文件描述符会与一个打开的文件相对应
- 不同的文件描述符也可能指向同一个文件
- 同一文件可由不同进程打开，也可在同一进程中多次打开
[En]
the same file can be opened by different processes or multiple times in the same process*
2.系统为维护文件描述符，建立了三个表
- 进程级的文件描述符表
- 系统级的文件描述符表
- 文件系统的i-node表
3.通过这三个表，认识文件描述符
- 在进程A中，文件描述符1和30都指向了同一个打开的文件句柄（#23），这可能是该进程多次对执行打开操作
- 进程A中的文件描述符2和进程B的文件描述符2都指向了同一个打开的文件句柄（#73），这种情况有几种可能，1.进程A和进程B可能是父子进程关系;2.进程A和进程B打开了同一个文件，且文件描述符相同（低概率事件=_=）；3.A、B中某个进程通过UNIX域套接字将一个打开的文件描述符传递给另一个进程。
- 进程A的描述符0和进程B的描述符3分别指向不同的打开文件句柄，但这些句柄均指向i-node表的相同条目（#1936），换言之，指向同一个文件。发生这种情况是因为每个进程各自对同一个文件发起了打开请求。同一个进程两次打开同一个文件，也会发生类似情况。
文件描述符限制
哪里有资源，哪里就有战争，文件描述符也是一种资源。为了改变世界，系统中的每个进程都需要一个文件描述符。世界需要秩序，所以有一个“文档描述符限制”规则。
[En]
Where there are resources, there is war, and file descriptors are also a kind of resources. every process in the system needs a file descriptor in order to change the world. The world needs order, so there is a “document descriptor limit” rule.
如下表：
查看文件描述符限制也可以使用linux命令。
- 找到需要检查的进程id
- 查看该进程的资源，比如fd 是描述符，limits是限制。
- 查看该进程的限制，如图，在 Max open files 那一行，可以看到当前设置中soft最大文件描述符的数量为1024。
在《提供一个排查性能问题的思路》里，我就提到过解决过too many open files问题。咱们今天来实际理解一下。执行下面命令：
这就是一个进程实际占用的文件描述符和文件描述符数。超过系统设定值就会发生too many open files异常。这里大家应该可以切实理解一个文件描述符就是一个文件，文件描述符占用超限就是too many open files啦。
特殊的文件描述符
有三个特殊的文件描述符，分别是0、1、2，对应每个进程的标准输入、标准输出和错误输出。每个进程启动时，操作系统就会给它分配这三个标准的文件描述符。咱们平时用的console控制台就是通过读写这三个文件来实现滴。
linux基础里有介绍怎么重定向，下面一条命令可以将标准输出1和错误输出2重定向到一个文件：
总结
linux的内存分段、中断机制和文件描述符限制都是内核的保护机制。当然这并不全面，还有其他机制。
本篇内容和《网络通信之Session的历史血脉》、《深入理解MQ生产端的底层通信过程-理解channel》、《接下来一段时间会对大家进行网络通信的魔鬼训练-理解socket》、《网络字节序列-大端序和小端序》、《https引起的跨域问题-COE&casestudy》、《懂得三境界-使用dubbo时请求超过问题》、《一个http请求进来都经过了什么(2021版)》是一个系列。等全部串联起来，之前很多让人望而却步的生产问题，会有了大致的排查方向吧~
Original: https://www.cnblogs.com/xiexj/p/15825930.html
Author: 编程一生
Title: 白话linux操作系统原理
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