【Linux技术】探究linux内核,超详细解析子系统

Perface

前面已经写过一篇《嵌入式linux内核的五个子系统》,概括性比较强,也比较简略,现在对其进行补充说明。

仅留此笔记,待日后查看及补充!

Linux内核的子系统

内核是操作系统的核心。Linux内核提供很多基本功能,如虚拟内存、多任务、共享库、需求加载、共享写时拷贝(Copy-On-Write)以及网络功能等。增加各种不同功能导致内核代码不断增加。

Linux内核把不同功能分成不同的子系统的方法,通过一种整体的结构把各种功能集合在一起,提高了工作效率。同时还提供动态加载模块的方式,为动态修改内核功能提供了灵活性。

系统调用接口

用户程序通过软件中断后,调用系统内核提供的功能,这个在用户空间和内核提供的服务之间的接口称为系统调用。

系统调用是Linux内核提供的,用户空间无法直接使用系统调用。在用户进程使用系统调用必须跨越应用程序和内核的界限。Linux内核向用户提供了统一的系统调用接口,但是在不同处理器上系统调用的方法各不相同。Linux内核提供了大量的系统调用,现在从系统调用的基本原理出发探究Linux系统调用的方法。

这是在一个用户进程中通过GNU C库进行的系统调用示意图,系统调用通过同一个入口点传入内核。以i386体系结构为例,约定使用EAX寄存器标记系统调用。

当加载了系统C库调用的索引和参数时,就会调用0x80软件中断,它将执行system_call函数,这个函数按照EAX寄存器内容的标示处理所有的系统调用。经过几个单元测试,会使用EAX寄存器的内容的索引查system_call_table表得到系统调用的入口,然后执行系统调用。从系统调用返回后,最终执行system_exit,并调用resume_userspace函数返回用户空间。

linux内核系统调用的核心是系统多路分解表。最终通过EAX寄存器的系统调用标识和索引值从对应的系统调用表中查出对应系统调用的入口地址,然后执行系统调用。

linux系统调用并不单层的调用关系,有的系统调用会由内核进行多次分解,例如socket调用,所有socket相关的系统调用都与_NR_socketcall系统调用关联在一起,通过另外一个适当的参数获得适当的调用。

进程管理子系统

当用户使用系统提供的库函数进行进程编程,用户可以动态地创建进程,进程之间还有等待,互斥等操作,这些操作都是由linux内核来实现的。linux内核通过进程管理子系统实现了进程有关的操作,服务器空间,在linux系统上,所有的计算工作都是通过进程表现的,进程可以是短期的(执行一个命令),也可以是长期的(一种网络服务)。linux系统是一种动态系统,通过进程管理能够适应不断变化的计算需求。

在用户空间,进程是由进程标示符(PID)表示的。从用户角度看,一个PID是一个数字值,可以唯一标识一个进程,一个PID值在进程的整个生命周期中不会更改,但是PID可以在进程销毁后被重新使用。创建进程可以使用几种方式,可以创建一个新的进程,也可以创建当前进程的子进程。

在linux内核空间,每个进程都有一个独立的数据结构,用来保存该进程的ID、优先级、地址的空间等信息,这个结构也被称做进程控制块(Process Control Block)。所谓的进程管理就是对进程控制块的管理。

linux的进程是通过fork()函数系统调用产生的。调用fork()的进程叫做父进程,生成的进程叫做子进程。子进程被创建的时候,除了进程ID外,其它数据结构与父进程完全一致。在fork()系统调用创建内存之后,子进程马上被加入内核的进程调试队列,然后使用exec()系统调用,把程序的代码加入到子进程的地址空间,之后子进程就开始执行自己的代码。

在一个系统上可以有多个进程,香港空间,但是一般情况下只有一个CPU,在同一个时刻只能有一个进程在工作,即使有多个CPU,也不可能和进程的数量一样多。如果让若干的进程都能在CPU上工作,这就是进程管理子系统的工作。linux内核设计了存放进程队列的结构,在一个系统上会有若干队列,分别存放不同状态的进程。一个进程可以有若干状态,具体是由操作系统来定义的,但是至少包含运行态、就绪态和等待3种状态,内核设计了对应的队列存放对应状态的进程控制块。

当一个用户进程被加载后,会进入就绪态,被加入到就绪态队列,CPU时间被轮转到就绪态队列后,切换到进程的代码,进程被执行,当进程的时间片到了以后被换出。如果进程发生I/O操作也会被提前被换出,并且存放到等待队列,当I/O请求返回后,进程又被放入就绪队列。

linux系统对进程队列的管理设计了若干不同的方法,主要的目的是提高进程调试的稳定性。

内核管理子系统

内存是计算机的重要资源,也是内核的的重要部分。使用虚拟内存技术的计算机,内存管理的硬件按照分页方式管理内存。分页方式是把计算机系统的物理内存按照相同大小等分,每个内存分片称作内存页,通常内存页大小是4KB。Linux内核的内存管理子系统管理虚拟内存与物理内存之间的映射关系,以及系统可用内存空间。

内存管理要管理的不仅是4KB缓冲区。Linux提供了对4KB缓冲区的抽象,例如slab分配器。这种内存管理模式使用4KB缓冲区为基数,然后从中分配结构,并跟踪内存页使用情况,比如哪些内存页是满的,哪些页面没有完全使用,哪些页面为空。这样就允许该模式根据系统需要来动态调整内存使用。

也有伤心的,既有令人兴奋的,也有令人灰心的,

【Linux技术】探究linux内核,超详细解析子系统

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