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2018-06-16 18:56:29 TommyMusk 阅读数 2015 大纲: 理解Linux内核最好预备的知识点 Linux内核的特点 Linux内核的任务 内核的组成部分 哪些地方用到了内核机制? Linux进程 Linux创建新进程的机制 Linux线程 内核线程 地址空间与特权级别         虚拟地址与物理地址         特权级别(Linux的两种状态)         系统调用 设备驱动程序、块设备和字符设备 网络 文件系统

模块和热插拔

注:本文为 《深入Linux内核架构》 的学习笔记

理解Linux内核最好预备的知识点:

懂C语言 懂一点操作系统的知识 熟悉少量相关算法 懂计算机体系结构

Linux内核的特点:

结合了unix操作系统的一些基础概念

Linux内核的任务:

1.从技术层面讲,内核是硬件与软件之间的一个中间层。作用是将应用层序的请求传递给硬件,并充当底层驱动程序,对系统中的各种设备和组件进行寻址。 2.从应用程序的层面讲,应用程序与硬件没有联系,只与内核有联系,内核是应用程序知道的层次中的最底层。在实际工作中内核抽象了相关细节。 3.内核是一个资源管理程序。负责将可用的共享资源(CPU时间、磁盘空间、网络连接等)分配得到各个系统进程。

4.内核就像一个库,提供了一组面向系统的命令。系统调用对于应用程序来说,就像调用普通函数一样。

内核实现策略:

1.微内核。最基本的功能由中央内核(微内核)实现。所有其他的功能都委托给一些独立进程,这些进程通过明确定义的通信接口与中心内核通信。

2.宏内核。内核的所有代码,包括子系统(如内存管理、文件管理、设备驱动程序)都打包到一个文件中。内核中的每一个函数都可以访问到内核中所有其他部分。目前支持模块的动态装卸(裁剪)。Linux内核就是基于这个策略实现的。

内核的组成部分:

1.用户空间(在“地址空间与特权级别”小节会详细介绍): 应用程序: C库 2.内核空间(在“地址空间与特权级别”小节会详细介绍): 核心内核 设备驱动程序

硬件

详细可参考图1

图1 Linux内核组成部分

哪些地方用到了内核机制?

1.进程(在cpu的虚拟内存中分配地址空间,各个进程的地址空间完全独立;同时执行的进程数最多不超过cpu数目)之间进行通   信,需要使用特定的内核机制。 2.进程间切换(同时执行的进程数最多不超过cpu数目),也需要用到内核机制。     进程切换也 需要 像FreeRTOS任务切换一样保存状态,并将进程置于闲置状态/恢复状态。

3.进程的调度。确认哪个进程运行多长的时间。

Linux进程

1.采用层次结构,每个进程都依赖于一个父进程。内核启动init程序作为第一个进程。该进程负责进一步的系统初始化操作。init进程是进程树的根,所有的进程都直接或者间接起源于该进程。 2.通过pstree命令查询。实际上得系统第一个进程是systemd,而不是init(这也是疑问点)

3.系统中每一个进程都有一个唯一标识符(ID),用户(或其他进程)可以使用ID来访问进程。

Linux创建新进程的机制;         1.使用fork函数。 功能:创建当前进程的一个副本。父进程和子进程只有PID(进程ID)不同。父进程的内容被复制。(写时复制:可以了解下这个概念)         2.使用exec函数。

功能:将一个新程序加载到当前进程的内存中并执行。旧程序的内存页将刷出,其内容替换为新的数据。然后开始执行新程序。

Linux线程

进程可以看成是一个正在执行的程序,而线程则是与主程序并行运行的程序函数或例程。

Linux创建新线程 

        采用clone方法创建线程。

内核线程         特点: 1.不与任何特定的用户空间进程相关联。 2.与中断上下文运转的内核相比,内核线程可以进入睡眠状态,也可以像系统中的普通进程一样被调度器跟踪。 用途: 1.从内存和块设备之间的数据同步。 2.帮助调度器在CPU上分配进程。 如何查看内核线程: 命令:ps fax   方括号内的就是内核线程。

地址空间与特权级别

在正式介绍之前先介绍几个单位:

KiB  2^10字节 MiB  2^20

GiB  2^30

地址空间

    虚拟地址与物理地址:

        虚拟地址: 在计算机的专用术语中是指标识一个虚拟(非物理地址)的实体地址。

        物理地址:切切实实存在的地址。 在存储器里以字节为单位存储信息,为正确地存放或取得信息,每一个字节单元给以一个唯一的存储器 地址 ,称为 物理地址。

        映射关系:             用页表为物理地址分配虚拟地址     注意:未必虚拟地址的所有页都映射到某个页帧。     原因: 1.页没有内存可以使用 2.数据尚不需要使用而没有载入内存。 3.页已经换出硬盘,需要时再换回内存。     页帧:物理内存页     页:专指虚拟地址空间中的页。     页表:将虚拟地址空间映射到物理地址空间的数据结构。     多级分页:建立虚拟地址到物理地址映射的一种方法,能有效减少内存用量。     CPU加速内存的访问过程,方法:     1.MMU(Memory Management Unit)内存管理单元     2.TLB(Translation Lookaside Buffer)地址转换后备缓冲器

    IA-32位结构的CPU只需要使用二级页表,Linux内核总是使用四级页表,剩余部分由内核通过控页表对缺少的页表进行仿真。

    概念注意:

    1.CPU的字长决定了所能管理的地址空间的最大长度。对于32位系统是2^32 B = 4GiB     2.虚拟地址空间:地址空间的最大长度与实际可用的物理内存的数量无关。 虚拟地址空间划分为两个部分: 内核空间

用户空间

                如图2所示:

图2 虚拟内存的划分

        有个等价名称值得一提: 用户层:指应用程序本身。指不属于内核的东西。 用户空间:不仅可以表示应用程序,还指代应用程序所运行的虚拟地址空间的一部分。与内核空间相对。

注意:每一个进程都有上述独立的虚拟地址空间。对于图2所示,每个进程有4GiB的内存空间。

特权级别         Linux有两种状态,两种状态代表两种特权级别:         核心态:在虚拟地址的内核空间运行的状态。         用户状态:在虚拟地址的用户空间运行的状态。      注意:在用户状态禁止访问内核空间

        这两种状态的差别在于 :对高于TASK_SIZE的内存区域的访问。

系统调用         定义:从用户状态到核心态的切换通过系统调用的特定手段完成。 方法: 1.内核代表用户程序执行代码 2.异步硬件中断激活,然后在中断上下文中进行。注意:在中断上下文运行时,内核不能进入睡眠状态。         注意:

CPU大多数在执行用户空间中的代码。当应用程序执行系统调用时,则会切换到核心态,内核将完成其请求。在此期间,内核可以访问虚拟地址空间的用户部分。在系统调用完成之后,CPU切换回用户状态。 

        硬件中断也使CPU切换到核心态,但这种情况下内核不能访问用户空间。

        系统调用有哪些:

                进程管理 信号 文件 目录和文件系统 保护机制 定时器函数 如:在IA-32处理器上,Linux使用一个专用软件中断执行系统调用。

设备驱动程序、块设备和字符设备 设备驱动程序的任务:是在于支持应用程序经由设备文件与设备通信。换言之,使得能按恰当的方式在设备上读取/写入数据。 设备驱动程序的定义:用于与系统连接的输入/输出装置通信。如硬盘、软驱、各种接口、声卡等。 外设分为两类: 1.字符设备。提供连续的数据流,数据可以顺序读取,通常不支持随机存取。支持按字节/字符来读写数据。 典型:调制解调器 2.块设备。可以随机访问设备数据,程序可以自行确定读取数据的位置。不支持基于字符寻址,数据读写只能以块的倍数进行。 典型:硬盘。 复杂性:比字符设备复杂,因为设计到缓存机制。

网络 网卡也可以通过设备驱动程序控制。 但在内核中,网卡不能以设备文件访问。因为网络通信期间数据打包到各种协议层,内存处理数据必须针对协议层处理,才能有效将数据对接应用程序。         为了支持用文件接口处理网络连接。Linux提供了套接字抽象,套接字可以看成是应用程序、文件接口、内核的网络实现之间的代理。 文件系统 文件存储在硬盘或者其他块设备(如光盘等),采用层次式文件系统。 文件系统使用目录结构主治存储的数据,并将其他原信息(如所有者、访问权限等)关联起来。 Linux支持许多不同的文件系统: 如标准的Ext2和Ext3文件系统、ReiserFS、XFS、VFAT等

注意:软件层(Virtual Filesystem虚拟文件系统)内核必须提供一个额外的软件层,将各种底层的文件系统的具体特征与应用层隔离开。如图3所示。

图3 文件系统的额外软件层

参考文献:

[1] Wolfgang Mauerer. 《深入Linux内核架构》 Wolfgang Mauerer著 郭旭译 人民邮电出版社

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