Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核原理實用教案

1、內(nèi)容(nirng) 進程管理 內(nèi)存(ni cn)管理 虛擬文件系統(tǒng)了解Linux內(nèi)核(ni h)核心功能的基本原理結構，引導源碼閱讀第1頁/共28頁第一頁，共29頁。Linux系統(tǒng)結構計算機硬件體系結構相關(xinggun)代碼進程(jnchng)管理內(nèi)存(ni cn)管理文件系統(tǒng)模塊模塊接口設備驅(qū)動驅(qū)動接口系統(tǒng)調(diào)用應用程序標準函數(shù)庫kernel第2頁/共28頁第二頁，共29頁。Linux系統(tǒng)(xtng)執(zhí)行框架地址(dzh)空間內(nèi)核(ni h)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)第3頁/共28頁第三頁，共29頁。進程(jnc

2、hng)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(jish)一個執(zhí)行過程，是任務調(diào)度的基本單位。 進程是線程和資源的容器，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(zyun)線程1線程2線程n第4頁/共28頁第四頁，共29頁。Linux內(nèi)核(ni h)進程和線程表示 Linux現(xiàn)行內(nèi)核淡化(dn hu)了進程和線程的關系，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(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，實際就構成了一個進程(線程組)，這些task

3、_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。第5頁/共28頁第五頁，共29頁。Linux內(nèi)核進程(jnchng)和線程表示taskstaskstaskstaskstasks進程(jnchng)1進程(jnchng)2進程3創(chuàng)建進程有幾個函數(shù)fork exec clonestruct list_head *group_leaderstruct list_head thread_group第6頁/共28頁第六頁，共29頁。Linux進程(jnchng)組織關系init子進程(jnchng)1子進程(jnchng)2子進程3子進程4子進程5子

4、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第7頁/共28頁第七頁，共29頁。比較(bjio)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(dnd)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。（結構如下圖）KPROCESSETHREADETHREADETHREAD第8頁/共28頁第八頁，共29頁。任務調(diào)度 在多任務系統(tǒng)(xtng)中，任務調(diào)度很重要，調(diào)度策略決定了系統(tǒng)(xtng)最終性能和功能。 任務

5、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，一個任務執(zhí)行時間結束的就執(zhí)行下一個 第9頁/共28頁第九頁，共29頁。調(diào)度(diod)過程中斷(zhngdun)或異常進入(jnr)關中斷執(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保存到任務結構體上任務狀態(tài)段TSS任務上下文通過調(diào)度器策略算法求得下一個要執(zhí)行的任務從任務結構體上取下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)行第10頁/共28頁第十頁，共29頁。進程(jnchng)切換 對于多進程

6、系統(tǒng)，任務調(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，虛擬內(nèi)存地址映射表（PGD）必須(bx)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。第11頁/共28頁第十一頁，共29頁。Linux多線程機制(jzh) 原子操作(cozu) 自旋鎖 信號量 讀寫鎖 互斥量線程A線程Ba = ii = 0a = ii=1臨界(ln ji)區(qū)第12頁/共28頁第十二頁，共29頁。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(h xing)等待的現(xiàn)象；表現(xiàn)為程序假死

7、，不再被調(diào)度。 避免死鎖有 銀行家算法獲取(huq)B資源獲取(huq)A資源獲取A資源獲取B資源任務A任務B第13頁/共28頁第十三頁，共29頁。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)(fn zhun) 高優(yōu)先級任務需要等待低優(yōu)先級任務釋放資源，而低優(yōu)先級任務又正在(zhngzi)等待中等優(yōu)先級任務的現(xiàn)象叫做優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。 此時高優(yōu)先級任務和中等優(yōu)先級任務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)先級任務因為等待低優(yōu)先級任務釋放資源而阻塞的情況則不稱為優(yōu)先級反轉(zhuǎn) 第14頁/共28頁第十四頁，共29頁。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)(fn zhun)任務(rn wu)1任務(rn wu)2任務3獲取資源釋放資源

8、獲取資源后果，任務1將一直等待任務2運行完才能運行，實時性差第15頁/共28頁第十五頁，共29頁。消除(xioch)優(yōu)先級反轉(zhuǎn) 優(yōu)先級繼承策略：繼承現(xiàn)有被阻塞任務的最高優(yōu)先級作為其優(yōu)先級，任務退出臨界區(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(zyun)的任務的優(yōu)先級提升到可能訪問該資源(zyun)的所有任務中最高優(yōu)先級任務的優(yōu)先級；ucOS的互斥量就是使用這個策略。第16頁/共28頁第十六頁，共29頁。Linux內(nèi)存(ni cn)管理 Linux進程空間使用虛擬存儲空間方式管理(gunl)的（通過MMU部件將離散的物

9、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(gunl)頁式內(nèi)存 并在伙伴的基礎上發(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)存的不足第17頁/共28頁第十七頁，共29頁。Linux進程(jnchng)虛存空間劃分操作系統(tǒng)(co zu x tn)內(nèi)核環(huán)境變量參數(shù)(cnsh)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)第18頁/共28頁第十八頁，共29頁。Linux內(nèi)存空間數(shù)據(jù)結構(sh j ji u)表示mmcountmmappgd頁目錄(

10、ml)表mm_structvm_startvm_endvm_opsvm_nextvm_startvm_endvm_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(jnchng)虛存空間第19頁/共28頁第十九頁，共29頁。分頁式內(nèi)存(ni cn)管理 Linux

11、系統(tǒng)中使用(shyng)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(shyng)四級頁表，32位系統(tǒng)只使用(shyng)PGD和PTE兩項頁全局(qunj)目錄PGD頁上級目錄PUD頁中級目錄PMD頁表PTE頁內(nèi)偏移線性地址 64位cr3頁框第20頁/共28頁第二十頁，共29頁。Linux物理(wl)內(nèi)存管理 Linux內(nèi)核(ni h)為了適應不同的硬件架構，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(ni cn)節(jié)點node_zonesZONE_NORMALZONE_DMAZONE_HIGHMEMzonezone_mem_mapzone_

12、mem_mappagepagepagepagepagepagezone_mem_mapZONE_DMAZONE_NORMALZONE_HIGHMEM16M896MPC i386第21頁/共28頁第二十一頁，共29頁。物理頁面(y min)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)(linx)頁進行分割，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order

13、0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(zh kui)分割為 2:1:1的頁面 2的頁面掛回order1,1的掛一個回order0,另外一個來分配第22頁/共28頁第二十二頁，共29頁。order2要申請一個(y )order0的頁面order1order1order0order1order0order0order1第23頁/共28頁第二十三頁，共29頁。slab分配器 因為

14、基于Buddy算法的內(nèi)存(ni cn)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(ni cn)塊，為了滿足這個需求，在Buddy的基礎上增加了slab分配器cache_chainkmem_cachekmem_cachekmem_cacheslabs_fullslabs_partialslabs_emptyheadtailslabslabslabslabslabpagepagepagepagepageobjectobjectobject第24頁/共28頁第二十四頁，共29頁。Linux文件系統(tǒng)核心(hxn)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

15、體的文件系統(tǒng)。 萬物皆文件，硬件設備也是文件 VFS包含下面幾種數(shù)據(jù)(shj)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，保存文件的相關信息，是文件的元數(shù)據(jù)(shj) dentry 目錄項，就是文件夾 file 文件對象 file_struct 打開的文件對象第25頁/共28頁第二十五頁，共29頁。VFS各數(shù)據(jù)(shj)對象之間的關系s_filessuper_blockf_opf_dentryf_opf_dentryf_opf_dentry超級塊上各打開(d ki)文件的file實例d_inoded_sbdentry_operationsd_opsNAMEi_opi_dentryi_fopi_sbinodeinode_operationsfile_operationstask_structfilesfiles_struct第26頁/共28頁第二十六頁，共29頁。The End第27頁/共28頁第二十七頁，共29頁。感謝您的觀看(gunkn)！第28頁/共28頁第二十八頁，共2