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Linux 系統 - 模式 & System call
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## OverView of Content

使用到指令 cc(編譯 c)、strace(System call 追蹤)、sar(系訊訊息)、**ldd(查看分享庫依賴)**、kill ...

[TOC]

## 電腦系統概念
電腦是不斷處理以下幾個步驟

1. 透過輸入裝置 or 網路命令，**委託電腦進行處理**，並將這些指令存在 **記憶體中**
2. 要求 CPU 運算記憶體中的委託命令
3. 將 CPU 計算的結果寫入記憶體
4. 將記憶體上的資料寫入硬碟中 or 透過網路傳至別的電腦

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### 程式分類

1. 分類

| 種類 | 說明 | 舉例 |
| -------- | -------- | -------- |
| 應用程式 | 直接協助使用者 | Office、APP |
| 中介軟體 | 多數應用共通處理，可以算是協助開發的 Library | Web 伺服器、資料庫 |
| OS 系統 | 直接操作硬體 (韌體的部分) | Linux、Mac、Windows |

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2. 多行程協作
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### 程式組成 - Process

* 程式的運行最小單位為 Process 行程 (也就是進程)，^1^ 程式使用的進程可以是複數 or 單數，^2^ **不同進程之間也可以通訊**

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### Linux 驅動裝置 - 概述
* 上面有說到 Linux 會透過驅動裝置進行存取，而 Linux 有特定的規定，必須透過 **==核心模式==才能存取裝置**

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## 操作系統 os

操作系統簡單來說就是介於硬體 ＆ 應用之間的東西，**向下負責硬體，向上負責提供高效的 API，可說是 ==硬件管家==**
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### OS 作用
* 以 Linux 來說，Linux 的特色之一是外部裝置驅動
1. 如果沒有 OS 的話，每個應用就必須針對各個裝置寫必要的驅動程式
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2. 有 OS 的話，以 Linux 來說就有共用的裝置驅動程式來做處理 (相當於一個共用的 Lib)
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### OS 分類

| 分類角度 | Example |
| -------- | -------- |
| 應用領域 | 嵌入式系統、桌面操作、服務器類型 |
| 用戶數量 | 單用戶：Dos; 多用戶：window, mac, unix |
| 實時性（多線程） | 實時操作系統：RTOS、VRTX; 分時操作系統：window, mac, unix|
| 指令長度 | 8、16、32、64 bit |
| 分佈性 | 分佈式、網路式 |
| open source | 開源：Android, Unix; 閉源：Mac、Window |
| Unix 系列 | Unix-like：Linux, Mac, Xinu; Non-Unix-like：Windows |
| POSIX 兼容性 | Linux 兼容 |

### Android 系統
* **Android os 是基於 Linux Kernel 的**，會使用的原因如下：

1. 進程、記憶體管理
2. 權限安全機制
3. 經過驗證的驅動程序模型
4. 提供多種共享厙

5. Open Source~

### 資料 & 裝置 - 關係
* 簡單來說資料與裝置的關係如下
1. 資料透過讀取硬體
2. 再將資料儲存到記憶體
3. 最後到 CPU 做運算
4. 將結果存到記憶體
5. 最後存到裝置 or 網路上

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### 記憶體速度 & 價格 & 大小

| 記憶體分類 | 速度 | 價格 | 大小 |
| -------- | -------- | -------- | -------- |
| Register | 最快 | 最貴 | 最小 |
| SDR (靜態、快速記憶體) | 中 | 中 | 中 |
| DDR (動態記憶體) | 最慢 | 最便宜 | 最大 |

* 雖然 DDR 是記憶體中速度最慢的，但仍比硬碟快得多 ~

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## 核心模式 & 使用者模式
* Linux 透過 **++硬體++ 的協助，讓行程無法對裝置逕行存取**，**CPU 具備 `核心模式` & `使用者模式` 兩種**，除了 `Linux 驅動裝置` 需透過核心存取外，其他還有 `Process 管理系統`、`Process 排程器`、`Memory 管理系統`

* **核心模式**：以核心模式來運作、OS 核心處理的稱為核心 (kernel)，它主要管理系統 CPU、Memory (核心有核心專用的 CPU、Memory 區塊，這裡先不說明)

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### System Call - 核心模式

* System Call 是一種統稱 (許多行為都可以稱為 System Call)，以下舉例幾個

:::success
* 當使用到 System call 時就一定會切換到核心模式
:::

1. 建立、刪除 Process
2. 確保 (申請)、釋放 Memory
3. 不同行程之間的通訊 (mmap)
4. 網路
5. 檔案系統操作
6. 檔案操作 (裝置 IO 存取)

### CPU 中斷 - 模式轉換

* 當使用者有 **使用到 System call 的動作時，便會觸發 CPU 產生 ==中斷事件==，產生中斷事件時 CPU 就換轉換到 ++核心模式++**，並檢查 System call 要求是否正常

> CPU 收動 System call 中斷事件後會先檢查，eg. 檢查記憶體段是否要求正常 (是否超出 or 不合法)

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### 追蹤 System Call - strace 命令

* 前面有說到 IO 存取會呼叫到 system call，以下就寫一個簡單的 c 語言程式進行 IO 存取

1. **前置作業**: 安裝必要套件

        # 先安裝 gcc 套件
        sudo apt-get install -y gcc

        # 創建文件
        touch hello.c

        # 編輯文件
        vim hello.c

2. 使用 puts 終端機上輸出 `Hello world!`

        #include <stdio.h>

        int main(void) {
            puts("Hello world!");
            return 0;
        }

3. 使用 gcc 編譯 hello.c 檔案

        # 編譯 & 輸出可執行檔
        cc -o hello hello.c

4. 運行編譯結果

        # 運行
        ./hello 

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* **使用 `strace` 命令** 追蹤 system call 相關資訊
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    # -o 另外輸出一個檔案
    strace -o hello.log ./hello
    
    # 查看 system call 數量
    wc -l hello.log
    
    # -n 輸出行數
    cat -n hello.log

重點是第 28 行的 write ~
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* 同樣使用 strace 命令，追蹤 Python 程式試試看，可以看到 python 使用到了 400 多行 system call (因為 Python 包裝較多層)

    # echo 輸出，並重新導向，最終輸出 hello.py
    echo 'print("Hello world, by py")' > hello.py | cat hello.py

    # 執行 python3
    python3 hello.py 
    
    # 同上
    strace -o hello.py.log python3 hello.py 
    
    # 同上
    cat -n hello.py.log

雖然使用到 400 多次 system call，但最終仍都會用到 write ~
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### 測試 System call & CPU 模式 - sar 收集系統資訊

* sar 命令是用來收集系統資訊
1. sar 使用格式

        # -P 是行程
        # ALL 是全部 CPU
        # 1 是一秒一次
        # 10 是監看次數

        sar -P ALL 10

2. 使用者、核心模式 看法

| 模式 | 關注欄位 |
| -------- | -------- |
| 使用者 | `%user` + `%nice` |
| 核心 | `%system` |
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* 以下做兩個 loop 實驗，使用無限迴圈執行 ^1^ 沒有任何動作的執行檔案，^2^ 執行不斷 system call，並觀察 sar 數據
1. 沒有任何動作的執行檔案 (檔案創建、編輯指令都先略過，需要可以參考上面的)

        // loop.c

        int main(void) {

            for(;;)
                ;

        }

* 背景執行 + 監聽 CPU，最終會發現 **loop.c 都是 (觀察 user + nice) 運行在使用者模式**

        # 編譯檔案
        cc -o loop loop.c
        
        # 背景執行 loop (使用 & 就是背景執行，並且它會返回 PID，方便我們 Kill)
        ./loop &
        
        # 監聽 CPU
        sar -P ALL 1

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* **CPU 概念**：單執行 for 迴圈時 (基本上都消耗在 `%user` 欄位)

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2. 執行不斷 system call，`getppid` 函數 (取的當前行程的 pid)

        // ppid_loop.c

        #include <sys/types.h>
        #include <unistd.h>

        int main(void) {

            for(;;)
                getppid();

        }

* 背景執行應用 (`ppid_loop.c`) + 監聽 CPU，最終會發現 **ppid_loop.c 分別有使用者 + 核心模式**

            # 編譯檔案
            cc -o ppid_loop ppid_loop.c

            # 背景執行 loop (使用 & 就是背景執行，並且它會返回 PID，方便我們 Kill)
            ./ppid_loop &

            # 監聽 CPU
            sar -P ALL 1

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* **CPU 概念**：因為有使用 SystemCall 函數，所以 CPU 消耗會分配部分到 `%system`

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:::success
* 最後移除背景運行行程

        # pid 在 & 之後返回
        kill <pid>

:::

### System call 耗時

* strace -T 用來採集各種 System call 的耗時，以 **微秒 (µs) 為單位**，以下運行 ./hello 執行檔案，並監測它輸出 write 的耗時

    strace -T ./hello

可以看到該裝置運行時耗費了 120 µs 來執行 write 的 System call
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## System call 包裝函數

Linux 由提供許多 CPU 架構的 library，**System call 無法由 C 語言這種高等語言來呼叫，必須要使用到與 CPU 架構對應的 ==組合語言== 來進行呼叫**

### OS 包裝 System call

* 像是 Linux OS 會提供不同 CPU 架構使用的組合語言 (eg. `x86`、`x86_64`、`arm7`... 等等)，如果沒有 OS 的話每個行程就要撰寫對應的 CPU 組語

    // 以 x86_64 為例的組語範例

    mov     $0x6e,%eax        // 將 0x6ax 寫入 eax 暫存器
    syscall                    // 對 cpu 發出 system call，cpu 收到後產生中斷，並進入 ++核心模式++

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### 標準 C Library - glibc

* C 語言有依照 ISO 訂製的標準函數 Library，Linux 也有提供 C 的標準，通常依照 GUN 專案所以提供的 **glibc** 作為標準 C 函數 Library，幾乎所以有的 C 語言程式都會連接到 glibc

* 該程式與何種 library 相連可以使用 `ldd` 命令查看
:::info
* ldd : print shared object dependencies

ldd 後面是添加 **執行檔** 的絕對路徑
:::

* 以下幾個範例都連接到 `libc.so.6 => /lib/aarch64-linux-gnu/libc.so.6` 也就是 glic
1. 查看 echo

        # 查看 echo 命令位置
        which echo 

        # ldd 後面要添加絕對路徑
        ldd /usr/bin/echo

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2. 查看自己寫的 hello 執行檔

        # ldd 後面要添加絕對路徑
        ldd hello

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3. 查看 python3

        # 查看 python3 命令位置
        which python3 

        # ldd 後面要添加絕對路徑
        ldd /usr/bin/python3

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### OS 提供程式

* 以下提幾個常見到的程式

| OS 程式 | 關鍵字 |
| -------- | -------- |
| 系統初始化 | init |
| 變更 OS 行動 | sysctl、nice、sync |
| 檔案操作 | touch、mkdir |
| 文字加工 | grep、sort、uniq |
| 效能測量 | sar、iostat |
| 編譯器 | gcc |
| 腳本語言執行環境 | perl、python、ruby |
| shell | bash |
| 視窗系統 | X |

## Appendix & FAQ

:::info
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###### tags: `Linux 系統核心`