深入Linux内核架构——简介和概述

1.1 内核的任务

• 应用程序的视角：增强的计算机【内核抽象了与硬件的细节】
• 若干程序的视角：资源管理程序 【分配共享资源（CPU时间，磁盘空间，网络链接】
• 其它视角：库 系统调用向计算机发送请求

1.2 实现策略

微内核

• 只有最基本的功能由中央内核实现

• 其它功能委托给独立进程（文件系统，内存管理）

• 容易拓展，不容易崩溃

• Mac OS X

宏内核

• 内核的全部代码（包括内存管理，文件系统，设备驱动程序）都是单独的文件

• 执行速度比较快

• 模块弥补了部分可拓展性缺陷

• Linux，Windows

1.3 内核的组成部分

1.3.1 进程、进程切换、调度

• 每个进程在CPU的虚拟内存中分配地址

• 各个进程地址空间是完全独立的，进程通信需要特定的内核机制

• 多任务系统的Linux系统需要完成

  • 内核借助CPU，需要保存完成进程的切换

  • 内核需要按照一定规则确定如何分享CPU，称之为调度

1.3.2 Unix进程

• Linux对进程采取了层次系统管理

• 每个进程都有一个依赖的父进程

• init程序是第一个程序（负责系统初始化，然后显示登录界面/提示符）

创建进程的机制

1. fork: 创建进程的副本（除了id其它都相同），使用copy on write机制来优化

2. exec: 将一个新进程加载到当前进程的内存中

线程

• 线程与进程共享同样的地址空间

• linux使用clone方法创建线程

命名空间

• 命名空间使得不同的进程看到不同的系统视图

• 每个命名空间可以包含一个特定的PID集合

1.3.3 地址空间与特权级别

• 虚拟地址空间与物理内存数量无关

内核空间与用户空间

1. 用户空间：0~TASK_SIZE 不同进程各不相同

2. 内核空间：TASK_SIZE~MAX 不同进程相同

1. 特权级别

• 处理器IA-32提供四种权限级别，Linux使用了两种

• 系统调用：用户态到核心态的切换

• 硬件中断：内核也可以由异步硬件中断激活，然后在中断上下文中运行。（中断不可访问用户空间）

• 内核线程：无权处理用户空间，不与用户空间进程相关联

2. 虚拟和物理地址

页表：为物理地址分配虚拟地址

1.3.4 页表

• 将虚拟地址映射到物理地址

多级页表

访问优化

• MMU：优化内存访问操作

• TLB: 快表

1.3.5 物理内存的分配

• 内核只分配到页帧，更小由标准库分配

• 

1. 伙伴系统：快速检测内存中的连续区域

2. slab缓存：频繁使用的小对象的一般性缓存

3. 页面交换与页面回收：将磁盘作为拓展空间

1.3.6 计时

• jiffies：时间坐标

• 定时器中断

1.3.7 系统调用

• 用户进程与内核交互的经典方法

分类

• 

1.3.8 设备驱动程序、块设备与字符设备

• 设备驱动程序：与输入/输出设备通信

分类

1. 字符设备：连续的数据流，字节/字符读写数据

2. 块设备：随机访问设备数据，自行确定读取数据的位置

1.3.9 网络

• 网卡：可以通过设备驱动程序管理，但是在内核中属于特殊状况，不能使用设备文件访问
  • 原因：数据被打包到协议层，必须进行打包与拆包
• Linux使用了套接字

1.3.10 文件系统

• Linux的组成：数以百万计的文件，存储在硬盘或者块设备

• 目录结构：层次式文件系统，然后将元数据与实际数据关联起来

• 虚拟文件系统（统一各式各样的文件系统）

  • Ext2: 基于inode
  • XFS
  • VFAT

• 

1.3.11 模块和热拔插

• 模块：运行时向内核动态地添加功能
• 设备驱动程序
  • 文件系统
  • 网络协议
  • …

1.3.12 缓存

• 缓存：内核用来改进系统性能

• 页缓存 块缓存