从零开始学Linux内核-----从Unix到Linux

1、从Unix到Linux

Unix强大的原因：
a、Unix简洁：仅仅提供几百个系统调用并且有一个明确的设计目的
b、一切皆文件：这一抽象使得对设备和数据操作都是用同一套系统调用接口来进行
open(), read(), write(),lseek()和close()
c、Unix的内核和相关的系统工具使用C语言编写而成：在各种硬件体系架构中有超强的移植能力，使得开发人员很容易接受它
d、进程创建很快，有独特的fork系统调用
e、提供了一套简单但又稳定的进程间通信元语
之间的关系：快速简洁的进程创建，使得Unix的程序将目标放在一次执行保质保量地完成一个任务上，简单稳定的进程间通信保证单一目的的程序可以方便的组合，去解决现实中的越来越复杂的问题
内核的组成（处于系统态）：
a、负责响应中断的中断服务程序
b、负责管理多个进程从而分享处理器时间的调度程序
c、负责管理进程地址空间的内存管理程序和网络
d、进程间通信等系统服务程序共同组成
系统态：拥有受保护的内存空间和访问硬件设备的所有权限
内核空间：系统态和被保护起来的内存空间
应用程序，内核和硬件的关系图：

• 运行于用户空间，执行用户进程
• 运行于内核空间，处于进程上下文，代表某个特定的进程执行
• 运行于内核空间，处于中断上下文，于任何进程无关，处理某个特定的中断

单内核和微内核设计的比较：

• 单内核：将内核从整体上作为一个独立的大过程来实现，同时也运行在一个单独的地址空间，所有的内核服务都在一个大内核地址空间上运行
• 微内核：功能被划分为多个独立的过程，每个过程被称为一个服务器，所有服务都保存独立并运行在各自的地址空间上
• 微内核是通过消息传递处理通信：系统采用进程间通信（IPC）机制，各个服务之间通过IPC机制互通消息，互换“服务”
• 微内核会有IPC带来的开销和上下文切换使得消息传递需要一定周期，但是单内核没有这些开销

Linux的内核：是单内核，即Linux的内核运行在单独的内核地址空间
Linux内核的特点：模块化设计，抢占式内核，支持内核线程以及动态装载内核模块的能力，为了避免微内核的弊端，linux内核中让所有事情都运行在内核态，直接调用函数，无须消息传递

Linux内核和传统Unix系统之间存在一些显著的差异：

• Linux支持动态加载内核模块：允许在需要的时候动态的卸除和加载部分内核代码
• Linux支持对称多处理（SMP）机制，传统的Unix不支持
• Linux内核可以抢占：Linux内核具有允许在内核运行的任务优先执行能力，传统的Unix不支持
• Linux对线程支持的实现比较有意思：内核并不区分线程和其他一般进程，对于内核来说所有进程都一样只不过是其中的一些共享资源而已（这就应该是linux是基于进程的操作系统的原因）
• Linux提供具有设备类的面向对象的设备模型、热插拔事件，以及用户空间的设备文件系统（sysfs）
• Linux忽略了一些设计很拙劣的Unix特性，STREAMS，难以实现的的过时标准等
  STREAMS：允许在一个网络上使用多个通信协议的开发和操作环境

服务器的三大体系：
SNP机制：
SMP机制：多处理器结构，指的是多个处理无主次或从属关系，各个cpu共享相同的物理内存，每个cpu访问任何内存地址用时都相同
SMP主要特征：共享，系统中所有资源都共享（内存，IO，CPU）
SMP的问题：共享带来的扩展方面的瓶颈，最受限制的是内存，在SMP中CPU的数量不是越多越好，一般情况下实验表明CPU利用率最好的情况是2~4个CPU
NUMA机制：
NUMA机制：（非一致存储访问）是为了解决SMP在扩展方面的问题，进行改进的产物，使用NUMA技术可以将几百个CPU集合到一个服务器中
NUMA特征：具有多个CPU模块，每个模块有多个CPU，具有独立的本地内存和IO等资源，每个节点是通过互联模块进行连接和信息交互（每个CPU可以访问所有资源，但是访问资源的速度不一样）
NUMA的问题：由于访问本地资源和远端的速度不一样使得CPU数量增加时，系统性能不能线性增加
MPP机制：
MPP机制：由多个SMP服务器通过一定的节点互联网络进行连接，协同工作，完成相同的任务，从用户的角度看是一个服务器系统
MPP特征：由多个SMP（每个SMP被称为节点）由节点互联网络连接而成，每个节点之访问本地资源，完全无共享机制，理论上可以无限扩展，目前是512个节点互联
注：MPP中每个SMP节点都可以运行自己的操作系统，数据库等
MPP的问题：需要一种复杂的机制来调度和平衡各个节点的负载和并行处理过程