Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核原理

1、linux內(nèi)核基礎(chǔ)第一事業(yè)部王 風內(nèi)容 進程管理 內(nèi)存管理 虛擬文件系統(tǒng)了解linux內(nèi)核核心功能的基本原理結(jié)構(gòu)，引導源碼閱讀linux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機硬件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)代碼進程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)模塊模塊接口設(shè)備驅(qū)動驅(qū)動接口系統(tǒng)調(diào)用應(yīng)用程序標準函數(shù)庫kernellinux系統(tǒng)執(zhí)行框架地址空間內(nèi)核功能函數(shù)內(nèi)核線程1內(nèi)核線程2內(nèi)核線程3內(nèi)核線程4內(nèi)核線程5內(nèi)核線程n進程1進程2進程3進程n用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)進程和線程的區(qū)別 線程是系統(tǒng)最小的執(zhí)行流單位，一個線程就是一個執(zhí)行過程執(zhí)行過程，是任務(wù)調(diào)度的基本單位。 進程是線程和資源的容器容器，一個以上的線程組成一個進程，在同一個進程中的線程共享進程資源。資源線程

2、1線程2線程nlinux內(nèi)核進程和線程表示 linux現(xiàn)行內(nèi)核淡化了進程和線程的關(guān)系，原則上不區(qū)分進程和線程。 在linux內(nèi)核中使用(struct task_struct)表示一個任務(wù)(linux中稱為進程，也可以稱為線程) 多個 task_struct 共享資源和進程空間，實際就構(gòu)成了一個進程(線程組)，這些task_struct實際就是這個進程的線程，通常在linux書上將task_struct直接就稱為一個進程。linux內(nèi)核進程和線程表示taskstaskstaskstaskstasks進程1進程2進程3創(chuàng)建進程有幾個函數(shù)fork exec clonestruct list_head

3、 *group_leaderstruct list_head thread_grouplinux進程組織關(guān)系init子進程1子進程2子進程3子進程4子進程5子進程6父進程children子進程slibing子進程slibing子進程slibing通過pstree命令可以顯示出進程樹比較windows進程線程管理 windows進程使用kprocess表示進程對象，能夠通過句柄單獨操作進程對象 線程是通過ethread線程塊來表示，多個線程塊鏈接到kprocess的執(zhí)行體線程塊鏈表頭上。（結(jié)構(gòu)如下圖）kprocessethreadethreadethread任務(wù)調(diào)度 在多任務(wù)系統(tǒng)中，任務(wù)調(diào)度很重

4、要，調(diào)度策略決定了系統(tǒng)最終性能和功能。 任務(wù)調(diào)度有多種策略， 比如基于優(yōu)先級的調(diào)度，ucos-ii上就是這種，誰的優(yōu)先級高就誰占有cpu 還有基于時間片的，一個任務(wù)執(zhí)行時間結(jié)束的就執(zhí)行下一個 調(diào)度過程中斷或異常進入關(guān)中斷執(zhí)行區(qū)保存中斷前所有的寄存器的內(nèi)容到sp原則上是保存程序使用的所有寄存器a0-a4v0-v1epc將當前的sp保存到任務(wù)結(jié)構(gòu)體上任務(wù)狀態(tài)段tss任務(wù)上下文通過調(diào)度器策略算法求得下一個要執(zhí)行的任務(wù)從任務(wù)結(jié)構(gòu)體上取下sp指針從sp上恢復所有的寄存器的內(nèi)容打開中斷并返回恢復的位置執(zhí)行進程切換 對于多進程系統(tǒng)，任務(wù)調(diào)度的過程中伴隨進程切換，從真實的一個進程切換到另外一個不共享資源的進程

5、，虛擬內(nèi)存地址映射表（pgd）必須進行切換，還有其它資源數(shù)據(jù)也需要跟著切換。 進程切換通常比較耗時，效率很低，需要執(zhí)行切換tlb，回寫cache等低效率操作。linux多線程機制 原子操作 自旋鎖 信號量 讀寫鎖 互斥量線程a線程ba = ii = 0a = ii=1臨界區(qū)死鎖 所謂死鎖: 是指兩個或兩個以上的進程在執(zhí)行過程中，因爭奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象；表現(xiàn)為程序假死，不再被調(diào)度。 避免死鎖有 銀行家算法獲取b資源獲取a資源獲取a資源獲取b資源任務(wù)a任務(wù)b優(yōu)先級反轉(zhuǎn) 高優(yōu)先級任務(wù)需要等待低優(yōu)先級任務(wù)釋放資源，而低優(yōu)先級任務(wù)又正在等待中等優(yōu)先級任務(wù)的現(xiàn)象叫做優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。 此時高優(yōu)先級

6、任務(wù)和中等優(yōu)先級任務(wù)之間沒有任何共享資源但執(zhí)行順序卻發(fā)生了倒置，這種情況稱為優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，而高優(yōu)先級任務(wù)因為等待低優(yōu)先級任務(wù)釋放資源而阻塞的情況則不稱為優(yōu)先級反轉(zhuǎn) 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)3獲取資源釋放資源獲取資源后果，任務(wù)1將一直等待任務(wù)2運行完才能運行，實時性差消除優(yōu)先級反轉(zhuǎn) 優(yōu)先級繼承策略：繼承現(xiàn)有被阻塞任務(wù)的最高優(yōu)先級作為其優(yōu)先級，任務(wù)退出臨界區(qū)，恢復初始優(yōu)先級；linux內(nèi)核的實時互斥量就是使用這個策略。 優(yōu)先級天花板策略(封頂策略)：指將申請（占有）某資源的任務(wù)的優(yōu)先級提升到可能訪問該資源的所有任務(wù)中最高優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級；ucos的互斥量就是使用這個策略。linux內(nèi)存管理 li

7、nux進程空間使用虛擬存儲空間方式管理的（通過mmu部件將離散的物理地址拼接成連續(xù)的虛擬地址空間）（uclinux除外） linux內(nèi)核使用伙伴管理頁式內(nèi)存 并在伙伴的基礎(chǔ)上發(fā)展了slab/slob/slub算法，用于內(nèi)核小內(nèi)存的分配，以彌補頁式分配浪費內(nèi)存的不足linux進程虛存空間劃分操作系統(tǒng)內(nèi)核環(huán)境變量參數(shù)堆棧數(shù)據(jù)(bss)數(shù)據(jù)代碼4g3g00 xc00000000 x00000000_end_edata_etext內(nèi)核區(qū)用戶區(qū)linux內(nèi)存空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示mmcountmmappgd頁目錄表mm_structvm_startvm_endvm_opsvm_nextvm_startvm_e

8、ndvm_opsvm_nextvm_area_structvm_area_structtask_structvm_startvm_endvm_opsvm_nextvm_area_structopenclosenopageswapinswaoutvm_operations_structopenclosenopageswapinswaoutvm_operations_struct虛存區(qū)虛存區(qū)進程虛存空間分頁式內(nèi)存管理 linux系統(tǒng)中使用了同時用于64位和32位系統(tǒng)的通用分頁模型。 模型中使用四級頁表，32位系統(tǒng)只使用pgd和pte兩項頁全局目錄pgd 頁上級目錄pud 頁中級目錄pmd頁表pte

9、頁內(nèi)偏移線性地址 64位cr3頁框linux物理內(nèi)存管理 linux內(nèi)核為了適應(yīng)不同的硬件架構(gòu)，對不同性能的內(nèi)存分成不同的節(jié)點(node),內(nèi)存模型如下圖：pg_data_t內(nèi)存節(jié)點node_zoneszone_normalzone_dmazone_highmemzonezone_mem_mapzone_mem_mappagepagepagepagepagepagezone_mem_mapzone_dmazone_normalzone_highmem16m896mpc i386物理頁面管理 物理頁面使用伙伴(buddy)算法進行管理 算法核心是將頁面按 1，2，4，8，16，2i 個連續(xù)頁進行

10、分割，放在11個鏈表上，i也就是通常所說的order;order6order5order4order3order2order1order0free_area pagepagepagepagepagepage例如分配一個頁面，直接到order0上找，如果order0上沒有空閑頁面了，那么就到order1上找，(1)如果order1上有空閑塊，那么就將這個雙頁分成兩個單頁，一個分配出去，一個掛到order0的鏈表上。(2)如果order1沒有空閑塊，就到order2上找，如果找到空閑塊，那么就將這塊分割為 2:1:1的頁面 2的頁面掛回order1,1的掛一個回order0,另外一個來分配orde

11、r2要申請一個order0的頁面order1order1order0 order1order0order0 order1slab分配器 因為基于buddy算法的內(nèi)存管理，只能精確到頁面大小，對于內(nèi)核中需要大量申請的小內(nèi)存塊，為了滿足這個需求，在buddy的基礎(chǔ)上增加了slab分配器cache_chainkmem_cachekmem_cachekmem_cacheslabs_fullslabs_partialslabs_emptyheadtailslabslabslabslabslabpagepagepagepagepageobjectobjectobjectlinux文件系統(tǒng)核心vfs vfs(虛擬文件系統(tǒng))為具體文件系統(tǒng)提供抽象出一組通用的接口來表示具體的文件系統(tǒng)。 萬物皆文件，硬件設(shè)備也是文件 vfs包含下面幾種數(shù)據(jù)類型 file_system_type 文件系統(tǒng)類型 vfsmount 掛在點對象，也就是文件系統(tǒng)類型實例 super_block 超級塊，描述文件系統(tǒng)的控制信息、參數(shù)等 inode 索引節(jié)點，保存文件的相關(guān)信息，是文件的元數(shù)據(jù) dentry 目錄項，就是文件夾 file 文件對象 file_struct 打開的文件對象vfs各數(shù)據(jù)對象之間的關(guān)系s_filessuper_