第章Linu內(nèi)核簡介

1、 CT權(quán) 第三篇Lin u系統(tǒng)內(nèi)核分析 第8章Linu內(nèi)核簡介 本章介紹有關(guān) Lin uX勺內(nèi)核內(nèi)容，如系統(tǒng)初始化、運行以及內(nèi)核提供的各種調(diào)用等。 8.1系統(tǒng)初始化 當PC啟動時，Inte系列的CPU首先進入的是實模式，并開始執(zhí)行位于地址OxFFFF處的代 碼，也就是 ROM-BIO起始位置的代碼。BIOS先進行一系列的系統(tǒng)自檢，然后初始化位于地 址0的中斷向量表。最后BIOS各啟動盤的第一個扇區(qū)裝入到0X7C0P并開始執(zhí)行此處的代碼。 這就是對內(nèi)核初始化過程的一個最簡單的描述。 最初，Linux核心的最開始部分是用8086匚編語言編寫的。當開始運行時，核心將自己裝 入到絕對地址 0 x900

2、00再將其后的 2k字節(jié)裝入到地址0 x902（處，最后將核心的其余部分裝入 到0 x10000當系統(tǒng)裝入時，會顯示Loading言息。裝入完成后，控制轉(zhuǎn)向另一個實模式下的 匯編語言代碼 boot/Setup.S Setu部分首先設置一些系統(tǒng)的硬件設備，然后將核心從0 x100處移至0 x100處。這時系 統(tǒng)轉(zhuǎn)入保護模式，開始執(zhí)行位于0 x100處的代碼。 接下來是內(nèi)核的解壓縮。0 x100處的代碼來自于文件zBoot/head.它用來初始化寄存器 禾口調(diào)用 decompress_ke程el（） decompress_ke程序由 zBoot/inflate.c, zBoot/un和p.c zB

3、oot/misCB成。解壓縮后的數(shù)據(jù)被裝入到了0 x1000處，這也是 Linux不能在內(nèi)存小于 2M 的環(huán)境下運行的主要原因。 解壓后的代碼在0 x10100處開始執(zhí)行，緊接著所有的32位的設置都將完成：IDT GDT 和LDT將被裝入，處理器初始化完畢，設置好內(nèi)存頁面，最終調(diào)用start_kerne程。這大概是 整個內(nèi)核中最為復雜的部分。 start_kern程序用于初始化系統(tǒng)內(nèi)核的各個部分，包括： ?設置內(nèi)存邊界，調(diào)用pag in g_in初始臺化內(nèi)存頁面。 ?初始化陷阱，中斷通道和調(diào)度。 ?對命令行進行語法分析。 ?初始化設備驅(qū)動程序和磁盤緩沖區(qū)。 ?校對延遲循環(huán)。 最后，系統(tǒng)核心轉(zhuǎn)向

4、move_to_user_moc以便創(chuàng)建初始化進程（in it）。此后，進程0開 始進入無限循環(huán)。 8.2系統(tǒng)運行 初始化進程開始執(zhí)行/etc/init /bin/ini或/sbin/in中的一個之后，系統(tǒng)內(nèi)核就不再對程序 進行直接控制了。之后系統(tǒng)內(nèi)核的作用主要是給進程提供系統(tǒng)調(diào)用，以及提供異步中斷事件的 74訶 計計第二篇 Linu系統(tǒng)內(nèi)核分析 處理。多任務機制已經(jīng)建立起來，并開始處理多個用戶的登錄和fork（創(chuàng)建的進程。 8.3內(nèi)核提供的各種系統(tǒng)調(diào)用 8.3.1進程的基本概念和系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 從系統(tǒng)內(nèi)核的角度看來，一個進程僅僅是進程控制表（process tab中的一項。 進程控制表中

5、的每一項都是一個task_struct結(jié)構(gòu)，而task_struct結(jié)構(gòu)本身是在 in clude/li nux/sch中定義的。在task_strUCt構(gòu)中存儲各種低級和高級的信息，包括從一些 硬件設備的寄存器拷貝到進程的工作目錄的鏈接點。 進程控制表既是一個數(shù)組，又是一個雙向鏈表，同時又是一個樹。其物理實現(xiàn)是一個包括 多個指針的靜態(tài)數(shù)組。此數(shù)組的長度保存在in clude/li nux/tas定義的常量 NR_TASKS,其 缺省值為128數(shù)組中的結(jié)構(gòu)則保存在系統(tǒng)預留的內(nèi)存頁中。鏈表是由next_ta和prev_ta!k 個指針實現(xiàn)的，而樹的實現(xiàn)則比較復雜。 系統(tǒng)啟動后，內(nèi)核通常作為某一個

6、進程的代表。一個指向task_struc的全局指針變量 current來記錄正在運行的進程。變量current能由kernel/sche中.的進程調(diào)度改變。當系統(tǒng) 需要查看所有的進程時，則調(diào)用for_each_tas這將比系統(tǒng)搜索數(shù)組的速度要快得多。 某一個進程只能運行在用戶方式（user mode或內(nèi)核方式（kernel mo）e下。用戶程序 運行在用戶方式下，而系統(tǒng)調(diào)用運行在內(nèi)核方式下。在這兩種方式下所用的堆棧不一樣：用戶 方式下用的是一般的堆棧，而內(nèi)核方式下用的是固定大小的堆棧（一般為一個內(nèi)存頁的大?。?。 8.3.2創(chuàng)建和撤消進程 Linux系統(tǒng)使用系統(tǒng)調(diào)用fork（來創(chuàng)建一個進程，使用

7、exit（來結(jié)束進程。fork（和exit（的源 程序保存在ker nel/fork.c and kerne中xitfork（的主要任務是初始化要創(chuàng)建進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 其主要的步驟有： 1）申請一個空閑的頁面來保存task_struct 2查找一個空的進程槽（fin d_empty_pro）ss（） 3為kernel_stack_pO請另一個空閑的內(nèi)存頁作為堆棧。 4）將父進程的LDT表拷貝給子進程。 5復制父進程的內(nèi)存映射信息。 6）管理文件描述符和鏈接點。 撤消一個進程可能稍微復雜些，因為撤消子進程必須通知父進程。另外，使用kill（）也可以 結(jié)束一個進程。sys_kill（） sys_w

8、a和 sys_ex都保存在文件 exit.中。 8.3.3執(zhí)行程序 使用fork（創(chuàng)建一個進程后，程序的兩個拷貝都在運行。通常一個拷貝使用exec調(diào)用另一 個拷貝。系統(tǒng)調(diào)用exec負責定位可執(zhí)行文件的二進制代碼，并負責裝入和運行。 Linux系統(tǒng)中的exec通過使用linux_binfr結(jié)構(gòu)支持多種二進制格式。每種二進制格式都 代表可執(zhí)行代碼和鏈接庫。linux_binfr結(jié)構(gòu)種包含兩個指針，一個指向裝入可執(zhí)行代碼的函 數(shù)，另一個指向裝入鏈接庫的函數(shù)。 Unix系統(tǒng)提供給程序員6種調(diào)用exec（）的方法。其中的5種是作為庫函數(shù)實現(xiàn)，而 計75 sys_execv是由系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)的。它執(zhí)行一個十

9、分簡單的任務：裝入可執(zhí)行文件的文件頭， 并試圖執(zhí)行它。如果文件的頭兩個字節(jié)是#!那么它就調(diào)用在文件第一行中所指定的解釋器，否 則，它將逐個嘗試注冊的二進制格式。 8.4存取文件系統(tǒng) 眾所周知，文件系統(tǒng)是Unix系統(tǒng)最基本的資源。最初的Unix系統(tǒng)一般都只支持一種單一類 型的文件系統(tǒng)，在這種情況下，文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)深入到整個系統(tǒng)內(nèi)核中。而現(xiàn)在的系統(tǒng)大多都 在系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)之間提供一個標準的接口，這樣不同文件結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)可以十分方便 地交換。Lin uX也在系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)之間提供了一種叫做VFS( virtual file system勺標準 接口。 這樣，文件系統(tǒng)的代碼就分成了兩部分：上

10、層用于處理系統(tǒng)內(nèi)核的各種表格和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 而下層用來實現(xiàn)文件系統(tǒng)本身的函數(shù)，并通過VFS來調(diào)用。這些函數(shù)主要包括： ?管理緩沖區(qū)(buffer。) ?響應系統(tǒng)調(diào)用 fentl(和 ioctl()(fcntl.c and ioctl.c) ?將管道和文件輸入輸岀映射到索引節(jié)點和緩沖區(qū)(fifo.c, pipe。) ?鎖定和不鎖定文件和記錄(locks.c) ?映射名字到索引節(jié)點(n amei.c, ope n.c) ?實現(xiàn) selec函數(shù)(selects) ?提供各種信息(stat.c) ?掛接和卸載文件系統(tǒng)(super ?調(diào)用可執(zhí)行代碼和轉(zhuǎn)存核心(execQ ?裝入各種二進制格式(bin_fmt*Q VFS口則由一系列相對高級的操作組成，這些操作由和文件系統(tǒng)無關(guān)的代碼調(diào)用，并且 由不同的文件系統(tǒng)執(zhí)行。其中最主要的結(jié)構(gòu)有in ode_operat和ns