Linux内核设计与实现LKD - 美 - Love - 机械工业出版社

Linux内核简介

Linux内核有两种，稳定的和处于开发中的。内核一般用点号分三段，主版本号.从版本号.修订版本号，如2.26.0。从版本号为偶数则为稳定版，奇数则为开发版。

从内核出发

内核源码一般位于/usr/src/linux目录，或者/usr/src/kernel目录中，没有的可以自己安装。参考安装Linux内核源码部分文字。

ls默认按字典序纵向排序。

进程管理

现代操作系统中，进程提供了两种虚拟机制：虚拟处理器和虚拟内存。线程间共享虚拟内存，但拥有各自的虚拟处理器。

进程描述符：内核把进程都放在一个双向循环链表中，叫做任务队列。链表中的每一项都是一个结构体，称为进程描述符。

进程家族树：系统中所有的进程都是PID为1的init进程的后代，内核在启动的最后阶段启动init进程，该进程读取系统的初始化脚本并执行相关程序。

进程创建：Unix系统进程创建很特别，许多其他系统都提供了spawn产生一个新进程，而Unix则使用fork复刻一个进程并使用exec执行目标程序，其效果跟spawn相同。

linux的fork使用copy on write写时复制，调用fork时内核并不马上复制整个进程地址空间，而是与父进程共享内存空间，而是但写入的时候才会复制。COW这种延迟复制的方式十分有效，因此这个优化是很重要的。

线程在Linux中的实现

Linux实现线程的机制非常独特，它并没有线程这个概念，Linux把所有线程当作进程来实现，这些线程仅仅被视为一个与其他进程共享某些资源的进程。创建线程时和fork一样，底层也是clone，但创建线程需要指明共享的资源，这样，父进程和紫禁城就是所谓的线程了。

线程的实现Linux和Windows、Solaris的实现非常差异十分巨大。这些系统都在内核中提供了专门支持进程的机制，这些系统常常称线程为“轻量级进程”。而对于Linux来说，线程就是进程，它知识进程间共享资源的手段，比较Linux的进程已经够轻量了。

进程调度

调度程序的一个基本工作是，在一组处于可运行状态的进程中选择一个来执行。

多任务系统分为两类：抢占式和非抢占式。现代操作系统都是使用抢占式，这种模式下，由调度程序决定什么时候停止一个程序的运行。进程在被抢占前能够运行的时间是预先设置好的，叫时间片。而非抢占式的系统，除非进程自己主动停止运行，否则他会一直执行。

时间片：时间片是一个数值，但不是一个固定值，它表明进程在被抢占前所能运行的时间。

Linux的CFS调度器：Linux的CFS调度器采用平分处理器时间的策略，当系统中只有两个进程在跑时，如文本编辑器和视频解码器，它们各自得到50%的处理器时间，但文本编辑器大部分时间在等待用户输入，所以每次执行完用户输入后都处于睡眠状态。而视频处理器每次都消耗了所有的CPU时间，所以CFS发现文本编辑器的CPU消耗少于承诺给他的50%，所以CFS会优先调度文本编辑器进行运行。

系统调用

无

内核数据结构

内核常用的内建数据结构：链表、队列、映射、二叉树。

二叉树有：二叉搜索树、平衡二叉搜索树（所有叶子节点深度差不超过1）、自平衡二叉搜索树（所有操作都试图维持平衡的二叉搜索树，如红黑树）。红黑树是Linux最主要的二叉树数据结构。

中断和中断处理

在大多数体系结构中，中断就是通过电信号给处理器的特定管脚发送一个信号。处理器会立刻停止它在做的事情，然后跳到内存中预定义的位置开始执行那里的代码。

内核同步介绍

无

内核同步方法

原子操作是其他同步方法的基石。原子操作可以保证指令以原子的方式执行，即执行过程不被打断。

内核提供了两组原子操作接口，其中原子操作的整数定义为automic_t，操作有automic_set()、automic_add()等。

原子性并不能保证顺序性，顺序性确保了即使两条或多条指令出现在独立的执行线程中，它们本该的执行顺序却依然要保持，顺序性是通过内存屏障来实现的。

Linux内核中最常见的锁是自旋锁，使用spin_lock_irq()方法。

信号量：计数信号量和二值信号量。二值信号量在任意一个时刻仅允许一个锁持有者，也成为互斥信号量。计数信号量允许多个锁持有者，不能用来进行强制互斥，内核使用它的机会不过。

顺序性和内存屏障：编译器为了提高效率，可能会对读和写重新排序。实现顺序性，CPU有机器指令可以确保顺序要求，或者也可以指示编译器不要对给定的周围的指令序列进行重排序。这些确保顺序的指令称为屏障。

rmb()指令提供了一个“读”内存屏障，它确保在rmb()之前的载入动作不会重排到rmb()调用之后，rmb()之后的载入动作不会重排到rmb()之前。

定时器和时间管理

时间管理在内核中占有非常重要的地位，内核中有大量的函数都是基于时间驱动的，例如调度程序和屏幕刷新的动作都需要定期执行。

周期性产生的事件都是由系统定时器驱动的，如每10ms一次，定时器是一种可编程硬件芯片，它能以固定频率产生中断，该中断就是定时器中断。

Linux中利用时钟中断来工作的程序有：

• 更新系统运行时间
• 进程时间片调度

内存管理

内核把物理页作为内存管理的基本单位。从虚拟内存的角度看，页就是最小单位。大多数32位系统支持4KB的页，而64位系统支持8KB的页。

虚拟文件系统

块I/O层

块设备和字符设备：字符设备按照字节流的方式被有序访问，而块设备是以无序、随机的方式访问并且有固定大小。

块设备最小的可寻址单元是扇区，常见的扇区是512字节。然而，块是文件系统的一种抽象，只能基于块来访问文件系统，内核执行的所有磁盘操作都是基于块进行的，块的大小是扇区的2的整数倍，而且不能大于页的大小，所以块的大小一般是512B，1KB或4KB。

进程空间地址

用户空间中进程的内存，称为进程地址空间。

页高速缓存和页回写

页高速缓存指的是把磁盘中的物理数据缓存到物理内存中。

写缓存：对于写入到磁盘的操作，使用什么缓存策略呢？有三种策略

• 不缓存：写操作时，直接跳过缓存，写入磁盘，同时使缓存的数据失效。这种策略很少使用。
• 写操作自动更新内存缓存：这种称为写透缓存。
• 回写：这是Linux采用的策略，写操作直接写到缓存中，不会更新磁盘，并标记该缓存也为脏页，加入脏页列表。然后由一个进程(回写进程)周期将脏页列表中的页写入磁盘，最后清理脏页标志。这里“脏页”指的是磁盘中的数据，而不是内存中的数据。

设备与模块

无

调试

内核调试。

可移植性

数据类型等相关可移植性代码

补丁、开发和社区

内核编码风格和如何共享内核代码