第二章Linux內(nèi)核分析

第二章Linux內(nèi)核分析第一頁(yè)，共26頁(yè)。2.2Linux進(jìn)程管理

操作系統(tǒng)的重要任務(wù)之一是管理計(jì)算機(jī)的軟、硬件資源。因而操作系統(tǒng)最核心的概念就是進(jìn)程：即正在運(yùn)行的程序。進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)體，Linux的進(jìn)程具有獨(dú)立的權(quán)限與職責(zé),它在生命期內(nèi)將使用系統(tǒng)中的資源,Linux支持多種類(lèi)型的可執(zhí)行文件格式，如ELF，JAVA等。

2.2.1描述進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.2.2進(jìn)程調(diào)度

2.2.3創(chuàng)建進(jìn)程

2.2.4進(jìn)程通信機(jī)制2第二頁(yè)，共26頁(yè)。圖2-2進(jìn)程可運(yùn)行度量函數(shù)流程圖

根據(jù)進(jìn)程的調(diào)度策略區(qū)分實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程若是實(shí)時(shí)進(jìn)程，則考慮進(jìn)程的實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)；若是普通進(jìn)程，則只考慮counter返回weight作為衡量進(jìn)程p的權(quán)值goodness()開(kāi)始p->policy分類(lèi)返回weight作為衡量依據(jù)

SCHED_OTHER

SCHED_FIFO

SCHED_RR

weight=p->counterweight=1000+rt_priority3第三頁(yè)，共26頁(yè)。圖2-3進(jìn)程的可運(yùn)行隊(duì)列task_struct

task_struct

idle_task

…………

4第四頁(yè)，共26頁(yè)。圖2-4進(jìn)程通信的結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)調(diào)用接口FileIPCpipesfifoNetIPCDomainSocketsFileIPCSharedMemory

MessagesQueuesSemaphoresKernelIPCWaitQueues

Signals

Linux操作系統(tǒng)支持以下幾種進(jìn)程間通信的機(jī)制：信號(hào)（Signals）、管道（Pipe）和命名管道（NamedPipe）、SystemV的IPC機(jī)制（包括信號(hào)量（Semaphore）、消息隊(duì)列機(jī)制（MessageQueuesMechanism）和共享內(nèi)存（SharedMemory））、用于網(wǎng)絡(luò)通信的套節(jié)字機(jī)制（SocketsMechanism）和全雙工管道機(jī)制。5第五頁(yè)，共26頁(yè)。2.3Linux存儲(chǔ)管理圖2-5內(nèi)存管理器之間的關(guān)系

內(nèi)存管理子系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它的主要任務(wù)是：高效地管理系統(tǒng)中的內(nèi)存資源，提供對(duì)內(nèi)存資源快速的分配和回收；提高內(nèi)存的利用率，減少內(nèi)存的浪費(fèi)，充分發(fā)揮內(nèi)存的作用。Linux將內(nèi)存管理的工作劃分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)了5個(gè)不同的內(nèi)存管理器。它們分別是：

6第六頁(yè)，共26頁(yè)。

一．?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)附：free_area數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

二．頁(yè)分配

unsignedlong_get_free_pages(intgfp_mask,unsignedlongorder)

三．頁(yè)釋放

voidfree_pages(unsignedlongaddr,unsignedlongorder)

四．頁(yè)回收

當(dāng)物理內(nèi)存短缺時(shí)，物理內(nèi)存管理器必須嘗試回收某些物理頁(yè)，Linux創(chuàng)建了一個(gè)內(nèi)核交換守護(hù)進(jìn)程kswapd，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)物理頁(yè)的回收，當(dāng)然，頁(yè)分配函數(shù)自己也會(huì)強(qiáng)行回收物理頁(yè)，而且兩者的方法也是一致的。2.3.1物理內(nèi)存管理器7第七頁(yè)，共26頁(yè)。圖2-6free_area數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)8第八頁(yè)，共26頁(yè)。2.3.2內(nèi)核內(nèi)存管理器圖2-7slab分配器的結(jié)構(gòu)

內(nèi)核在運(yùn)行過(guò)程需要大量而頻繁地使用內(nèi)存。這些內(nèi)存有以下特點(diǎn)：

1、因?yàn)槭莾?nèi)核使用，因此不參與交換；2、使用時(shí)間一般都比較短；3、要求動(dòng)態(tài)分配和回收；4、要求響應(yīng)時(shí)間快，分配速度慢的管理器會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能的下降；5、尺寸一般都比較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一頁(yè)，如果直接使用物理內(nèi)存管理器按頁(yè)管理，其利用率會(huì)非常低。9第九頁(yè)，共26頁(yè)。圖2-8高速緩存描述符與Slab描述符之間的關(guān)系10第十頁(yè)，共26頁(yè)。2.3.3虛擬內(nèi)存管理器圖2-9Linux虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)11第十一頁(yè)，共26頁(yè)。圖2-10虛擬內(nèi)存實(shí)現(xiàn)機(jī)制之間的關(guān)系12第十二頁(yè)，共26頁(yè)。圖2-11Linux的三級(jí)頁(yè)表結(jié)構(gòu)13第十三頁(yè)，共26頁(yè)。圖2-12虛擬內(nèi)存區(qū)域及其操作集的結(jié)構(gòu)14第十四頁(yè)，共26頁(yè)?？臻e頁(yè)面活躍頁(yè)面不活躍且修改的頁(yè)面不活躍且沒(méi)修改的頁(yè)面圖2-13Linux的頁(yè)面交換機(jī)制分配換出換出換入換入回收釋放變?yōu)閮?nèi)存空間15第十五頁(yè)，共26頁(yè)。2.3.4Linux的高速緩沖機(jī)制

一．緩沖區(qū)高速緩沖（BufferCache）

二．頁(yè)面高速緩沖（PageCache）

三．交換高速緩沖（SwapCache）

四．轉(zhuǎn)換后援緩沖器（TLB）16第十六頁(yè)，共26頁(yè)。2.4Linux設(shè)備管理

2.4.1Linux設(shè)備管理結(jié)構(gòu)字符設(shè)備塊設(shè)備

驅(qū)動(dòng)程序硬件設(shè)備控制器圖2-14Linux設(shè)備管理層次圖

用戶(hù)程序

系統(tǒng)調(diào)用

文件系統(tǒng)

高速緩存

17第十七頁(yè)，共26頁(yè)。

2.4.2I/O控制方式

輪詢(xún)方式、中斷方式、直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）

2.4.3Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

2.4.4字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

對(duì)于設(shè)備的描述可通過(guò)device_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下所示： structdevice_struct{ constchar*name；//設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)的設(shè)備名稱(chēng) structfile_operations*fops；//設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)操作例程集，其中的操作例程由設(shè) //備驅(qū)動(dòng)程序定義，并分別完成指定的設(shè)備操作 }18第十八頁(yè)，共26頁(yè)。2.4.5塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在fs/block_dev.h中有如下定義： staticstruct{ constchar*name； structblock_device_operations*bdops；}blkdevs[MAX_BLKDEV]；19第十九頁(yè)，共26頁(yè)。圖2-15塊設(shè)備讀寫(xiě)請(qǐng)求

blk_dev_structblk_devrequest_fricurrent_request……requestdevcmd……bhbhlailnextrequestdevcmd……bhbhlailnextbuffer_headb_devb_blocknr……b_rpeb_prev_freeb_requexl20第二十頁(yè)，共26頁(yè)。2.5Linux文件系統(tǒng)

2.5.1Linux文件系統(tǒng)概述

圖2-16文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

文件是數(shù)據(jù)的集合，文件系統(tǒng)不僅包含著文件中的數(shù)據(jù)而且還有文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)在外存上管理文件，并把對(duì)文件的存取、共享和保護(hù)等手段提供給操作系統(tǒng)和用戶(hù)。它不僅方便了用戶(hù)使用，保證了文件的安全性，還可以大大地提高系統(tǒng)資源的利用率。21第二十一頁(yè)，共26頁(yè)。2.5.2虛擬文件系統(tǒng)VFS

圖2-17Linux文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)VFS的功能：1、記錄可用的文件系統(tǒng)的類(lèi)型； 2、將設(shè)備同對(duì)應(yīng)的文件系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)； 3、處理一些面向文件的通用操作； 4、涉及到針對(duì)文件系統(tǒng)的操作時(shí)，VFS把他們映射到與控制文件、目錄、以及inode相關(guān)的物理文件系統(tǒng)。22第二十二頁(yè)，共26頁(yè)。圖2-18VFS與具體文件系統(tǒng)之間的關(guān)系示意圖23第二十三頁(yè)，共26頁(yè)。2.5.3EXT2文件系統(tǒng)

EXT2(第二代擴(kuò)展文件系統(tǒng))由ReyCard設(shè)計(jì)，它是Linux界中設(shè)計(jì)最成功的文件系統(tǒng)，它很好地繼承了Unix文件系統(tǒng)的主要特色，如普通文件的三級(jí)索引結(jié)構(gòu)，目錄文件的樹(shù)型結(jié)構(gòu)和把設(shè)備作為特別文件等。

Linux文件系統(tǒng)是一個(gè)邏輯的自包含的實(shí)體，它含有inode，目錄和數(shù)據(jù)塊。Linux將整個(gè)磁盤(pán)劃分成若干分