Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法是什么

今天小編給大家分享一下Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法是什么的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，內(nèi)容詳細(xì)，邏輯清晰，相信大部分人都還太了解這方面的知識(shí)，所以分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后有所收獲，下面我們一起來了解一下吧。

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Unix強(qiáng)大的根本原因:

  1. Unix簡潔, 提供幾百個(gè)系統(tǒng)調(diào)用, 設(shè)計(jì)目的明確

  2. Unix中 所有東西都被當(dāng)做文件對待

  3. Unix內(nèi)核和相關(guān)系統(tǒng)工具是用C語言開發(fā)的, 移植能力強(qiáng)大

  4. Unix進(jìn)程創(chuàng)建迅速, 有獨(dú)特的fork機(jī)制

  5. Unix提供簡單穩(wěn)定的進(jìn)程間通信元語

Linux是類Unix系統(tǒng), 借鑒了Unix設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了Unix的API.

應(yīng)用程序通常調(diào)用庫函數(shù)(如C庫函數(shù))再由庫函數(shù)通過系統(tǒng)調(diào)用界面, 讓內(nèi)核代其完成各種任務(wù).

  • Linux支持動(dòng)態(tài)加載內(nèi)核模塊

  • Linux支持對稱多處理(SMP)機(jī)制

  • Linux為 搶占式內(nèi)核

  • Linux并不區(qū)分線程和其他的一般進(jìn)程

  • Linux提供具有設(shè)備類的面向?qū)ο蟮脑O(shè)備模型, 熱插拔事件, 以及用戶控件的設(shè)備文件系統(tǒng)

中斷和中斷處理

中斷是一種解決處理器和速度差異的方案, 只有在硬件需要的時(shí)候再向內(nèi)核發(fā)出信號. 中斷本質(zhì)上是一種特殊的電信號.

  • 內(nèi)核響應(yīng)特定中斷, 然后 內(nèi)核 調(diào)用特定的 中斷處理程序 , 終端處理程序是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一部分

  • Linux中的終端處理程序是不可重入的, 同一個(gè)中斷處理程序不會(huì)被同時(shí)調(diào)用

  • 中斷上下文不可以睡眠(我理解當(dāng)前被中斷的程序再中斷處理結(jié)束后需要繼續(xù)執(zhí)行)

  • 中斷處理程序不在進(jìn)程上下文中進(jìn)行, 他們不能阻塞

  • 中斷處理分為兩部分, 上半部為中斷處理程序, 要求盡可能快的執(zhí)行, 下半部( 用于減少中斷處理程序的工作量  )執(zhí)行與中斷處理密切相關(guān)但中斷處理程序本身不執(zhí)行的工作

  • 下半部的實(shí)現(xiàn)方法 軟中斷、tasklet、工作隊(duì)列 ,

中斷機(jī)制的實(shí)現(xiàn):設(shè)置產(chǎn)生中斷, 通過電信號給處理器的特定管腳發(fā)送一個(gè)信號, 處理器聽著當(dāng)前處理工作, 關(guān)閉中斷系統(tǒng) ,  然后調(diào)到內(nèi)存中預(yù)定義的位置(中斷處理程序的入口點(diǎn))開始執(zhí)行.計(jì)算終端號, do_IRQ() 對接收的中斷進(jìn)行應(yīng)答, 禁止這條線上的中斷傳遞.

內(nèi)核同步

對于共享資源, 如果同時(shí)被多個(gè)線程訪問和操作, 就可能發(fā)生各線程之間相互覆蓋共享數(shù)據(jù), 造成訪問數(shù)據(jù)不一致.

同步實(shí)現(xiàn)通過主要 鎖機(jī)制 對共享資源進(jìn)行加鎖, 只有持有鎖的線程才能操作共享資源, 其他線程睡眠(或者輪詢). 資源操作完成后, 持有鎖的線程釋放鎖,  由等待線程搶鎖.

內(nèi)核同步方法:

  1. 原子操作

  2. 自旋鎖 , 特性是當(dāng)線程無法獲取鎖, 會(huì)一直忙循環(huán)( 忙等 )等待鎖重新可以, 適用于短期輕量級加鎖

  3. 讀/寫自旋鎖 (共享/排它鎖), 一個(gè)或多個(gè)任務(wù)可以并發(fā)的持有讀者鎖, 寫者鎖只能被一個(gè)寫任務(wù)持有.

  4. 信號量 (睡眠鎖), 如果一個(gè)任務(wù)試圖獲得一個(gè)被占用的信用量時(shí), 信號量會(huì)將其推進(jìn)一個(gè)等待隊(duì)列, 然后讓其睡眠. 當(dāng)信號量可用后,  等待隊(duì)列中的任務(wù)會(huì)被喚醒. 適用于鎖被長期占用的時(shí)候.

  5. mutex(計(jì)數(shù)為1的信號量), 這個(gè)是編程中最常見的.

  6. 順序鎖

  7. 屏障 (barriers), 用于確保指令序列和讀寫的執(zhí)行順序

內(nèi)核中造成并發(fā)的原因:

  • 中斷, 幾乎可以再任何時(shí)刻異步發(fā)生, 可能隨時(shí)打斷當(dāng)前正在執(zhí)行的代碼

  • 軟中斷和tasklet, 內(nèi)核能在任何時(shí)刻喚醒或調(diào)度軟中斷或tasklet, 打斷當(dāng)前正在執(zhí)行的代碼

  • 內(nèi)核搶占

  • 睡眠及與用戶空間的同步

  • 對稱多處理, 多個(gè)處理器同時(shí)執(zhí)行代碼

內(nèi)存管理

內(nèi)核把物理頁作為內(nèi)存管理的基本單位, 內(nèi)存管理單元(MMU, 管理內(nèi)存并將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址) 通常以頁為單位來管理系統(tǒng)中的頁表.

內(nèi)核把也劃分為不同的區(qū)( zone ), 使用區(qū)對具有相似特性的頁進(jìn)行分組

// <linux/gfp.h> 該函數(shù)分配2的order次方個(gè)連續(xù)`物理頁`, 返回指針指向***個(gè)頁的page結(jié)構(gòu)體  staticinlinestructpage *  alloc_pages(gfp_tgfp_mask,unsignedintorder)  // 釋放物理頁  externvoidfree_pages(unsignedlongaddr,unsignedintorder);  //<linux/slab.h>以字節(jié)為單位分配一塊內(nèi)核內(nèi)存(物理上連續(xù))  static__always_inlinevoid*kmalloc(size_tsize,gfp_tflags)  //釋放kmalloc分配的內(nèi)存塊  voidkfree(constvoid*);

虛擬文件系統(tǒng)

虛擬文件系統(tǒng)為用戶控件程序提供了文件和文件系統(tǒng)相關(guān)接口.

文件的元數(shù)據(jù), 被存儲(chǔ)在一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中, 被稱為 inode (索引節(jié)點(diǎn))

虛擬文件系統(tǒng)(VFS)有四個(gè)主要的對象模型:

  • 超級塊對象, 代表一個(gè)具體的已安裝文件系統(tǒng), 存儲(chǔ)特定文件系統(tǒng)的信息

  • 索引節(jié)點(diǎn)對象, 代表一個(gè)具體文件, 包含內(nèi)核在操作文件或目錄時(shí)需要的全部信息, 一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)代表文件系統(tǒng)中的一個(gè)文件,

  • 目錄項(xiàng)對象, 代表一個(gè)目錄項(xiàng), 是路徑的一個(gè)組成部分, VFS把目錄當(dāng)做文件處理 , 目錄項(xiàng)對象沒有對應(yīng)的磁盤數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

  • 文件對象, 代表進(jìn)程打開的文件, 進(jìn)程直接處理的是文件

// <linux/fs.h> 文件對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) structfile { union{ structllist_node fu_llist; structrcu_head fu_rcuhead;  } f_u; structpath f_path; structinode *f_inode;/* cached value */ conststructfile_operations *f_op;  /*  * Protects f_ep_links, f_flags.  * Must not be taken from IRQ context.  */ spinlock_tf_lock; atomic_long_tf_count; unsignedintf_flags; fmode_tf_mode; structmutex f_pos_lock; loff_tf_pos; structfown_struct f_owner; conststructcred *f_cred; structfile_ra_state f_ra;   u64 f_version; #ifdefCONFIG_SECURITY void*f_security; #endif /* needed for tty driver, and maybe others */ void*private_data;  #ifdefCONFIG_EPOLL /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */ structlist_head f_ep_links; structlist_head f_tfile_llink; #endif/* #ifdef CONFIG_EPOLL */ structaddress_space *f_mapping; } __attribute__((aligned(4)));/* lest something weird decides that 2 is OK */

塊I/O層

系統(tǒng)中能夠 隨機(jī)訪問 固定大小數(shù)據(jù)片(chunks)的硬件設(shè)備稱作塊設(shè)備, 如硬盤. 按照字符流的方式被 有序訪問 的硬件設(shè)備稱為字符設(shè)備,  如鍵盤

# <linux/bio.h>I/O設(shè)備基本容器由bio結(jié)構(gòu)體表示

  • I/O調(diào)度程序 用于管理塊設(shè)備的請求隊(duì)列, 決定隊(duì)列中的請求排列順序以及什么時(shí)刻派發(fā)請求到掛設(shè)備. 這樣有利于減少磁盤的尋址時(shí)間,  從而提高全局的吞吐量

  • linux實(shí)際使用的I/O調(diào)度程序有 linux電梯, 最終期限I/O調(diào)度, 預(yù)測I/O調(diào)度程序, 空操作的I/O調(diào)度程序

進(jìn)程地址空間

內(nèi)核需要管理用戶空間中進(jìn)程的內(nèi)存, 這個(gè)內(nèi)存稱為 進(jìn)程地址空間 , 系統(tǒng)中所有進(jìn)程之間以虛擬方式共享內(nèi)存.

進(jìn)程地址空間由進(jìn)程可尋址的虛擬內(nèi)存組成, 每個(gè)進(jìn)程有32位或64位地址空間.

虛擬地址空間, 可被訪問的合法地址空間稱為 內(nèi)存區(qū)域 :

  • 可執(zhí)行文件代碼的內(nèi)存映射, 稱為代碼段

  • 可執(zhí)行文件的已初始化全局變量的內(nèi)存映射, 稱為數(shù)據(jù)段

  • 包含未初始化全局變量,bss(block started by symbol)段的零頁的內(nèi)存映射

  • 用于進(jìn)程用戶空間棧的零頁內(nèi)存映射

  • 每一個(gè)如C庫或動(dòng)態(tài)鏈接程序等共享庫的代碼段、數(shù)據(jù)段和bss會(huì)被載入進(jìn)程的地址空間

  • 任何內(nèi)存映射文件

  • 任何共享內(nèi)存段

  • 任何匿名的內(nèi)存映射, 如malloc分配的內(nèi)存

內(nèi)核使用內(nèi)存描述符結(jié)構(gòu)體表示進(jìn)程的地址空間, 內(nèi)存描述符由mm_struct( <linux/sched.h> )結(jié)構(gòu)體表示.  內(nèi)核線程沒有進(jìn)程地址空間, 也沒有相關(guān)的內(nèi)存描述符, 所有內(nèi)核線程沒有用戶上下文

應(yīng)用程序操作的對象是 映射到物理內(nèi)存上的虛擬內(nèi)存 , 而處理器操作的是物理內(nèi)存, Linux使用三級頁表完成地址轉(zhuǎn)換, 每個(gè)虛擬地址作為索引指向頁表,  頁表項(xiàng)則指向下一級的頁表. 在多級頁表中通過TLB(translate lookaside buffer)作為一個(gè)虛擬地址映射到物理地址的緩存

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