第一章 內核基礎知識
一、概述
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內核版本號
內核的版本號主要有四個數組組成。比如版本號：2.6.26.1 其中，
2 — 主版本號
6 — 從版本號或副版本號
26 — 修訂版本號
1 — 穩定版本號
副版本號表示這個版本是穩定版（偶數）還是開發版（奇數），上面例子中的版本號是穩定版。
穩定的版本可用於企業級環境。
修訂版本號的升級包括BUG修正，新的驅動以及新的特性的追加。
穩定版本號主要是一些關鍵性BUG的修改。
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單內核與微內核
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單內核
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原理
整個內核都在一個大內核地址空間上運行。
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優勢
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簡單。
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高效：所有內核都在一個大的地址空間上，所以內核各個功能之間的調用和調用函數類似，幾乎沒有性能開銷
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劣勢
一個功能的崩潰會導致整個內核無法使用。
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微內核
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原理
內核按照功能被劃分成各個獨立的過程。每個過程獨立運行在自己的地址空間上。
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優勢
- 安全：內核的各種服務獨立運行，一種服務掛了不會影響其他服務
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劣勢
內核各個服務之間的調用設計進程間的通信，比較複雜且效率低。
Linux內核雖是基於單內核的，但是經過這麼多年的發展，也具備微內核的一些特性。(這也體現了Linux實用至上的原則)
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可重入內核
所有的Unix內核都是可重入內核，所謂的可重入內核意味着有幾個進程可以同時在內核態下執行。當然，在單核處理器下面只有一個進程在真正運行。但是許多進程可以在內核態下被阻塞，或等待CPU，或等待一些I/O操作。
例如內核代表當前進程發佈一個讀磁盤的請求後，就讓磁盤處理該請求，並將會部分其他進程的執行。當設備滿足了請求時，一箇中斷就會通知內核去執行原來的進程，原來的進程就恢復執行。
系統可重入的一種方式是編寫函數，以便這些函數值修改局部變量，而不能修改全局數據結構，這樣的函數就叫可重入函數。但是可重入內核不僅僅侷限於這樣的可重入函數。內核可以包含非重入函數，並且利用鎖機制保證一次只有一個進程執行一個非重入函數。處於內核態的每個進程只能作用於自己的內存空間，不能干預其他的進程。
發生硬件中斷時，可重入內核能掛起當前正在執行的進程，即使這個進程處於內核態。這種能力是非常重要的，因爲這能提高發出終端的設備控制器的吞吐量。一旦設備發出一箇中斷，它一直等到CPU應答它爲止。如果內核能夠快速應答，在CPU處理終端時候設備控制器將能執行其他任務。
下面來看一下內核的可衝入量對內核組織的影響。
內核控制路徑(kernel control path)表示由內核執行的指令序列，從來處理系統調用、異常及中斷。
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進程地址空間
每個進程運行在它私有的地址空間。在用戶態下運行的進程涉及到私有棧、數據和代碼區。當內核態運行時，進程訪問內核的數據和代碼區，但是用另外的棧。
因爲內核是可重入的，幾個內核控制幀路徑(每個進程與不同的進程相關)可以輪流執行。在這種情況下，每個內核控制路徑都有他自己的私有內核態堆棧。
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同步和臨界區
實現可重入內核需要利用同步機制：如果作用於內核數據結構的內核控制幀路徑被掛起，那麼，其他的內核控制路徑就不能再作用於該數據結構，除非它已被重新設置成一個一致性狀態。否則兩個控制路徑的交互作用將被破壞所存儲的信息。
也就是說當兩個進程訪問同一個數據結構時應該保持一致性。
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非搶佔式內核
當進程在內核態執行時，它不能被任意掛起，也不能被掛起，也不能被另一個進程代替。因此，在單個處理器系統上，所有中斷異常處理程序不能更新的內核數據結構，內核對它們的訪問都將是安全的。
非搶佔式內核是低效的，因爲運行在不同的CPU的兩個內核控制路徑本可以併發的訪問相同的數據結構。
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自旋鎖機制
單處理器系統上的另一種機制是：在進入一個臨界區之前禁止產生所有的硬件中斷。
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交換與高速緩存
爲了擴充進程所用的虛擬地址空間的大小，Unix操作系統使用磁盤上的交換區域。虛擬內存系統以一個頁框的內容作爲交換的基本單位。當一些進程引用已經換出頁時。MMU產生一個異常，然後異常處理長鬚分配一個新的頁框，並用存儲在磁盤在從磁盤上的舊內容初始化該頁框。
另一方面，物理內存也被用作磁盤和其他塊設備的高速緩存。這是因爲硬盤非常慢，磁盤的訪問需要幾毫秒，與RAM的訪問時間相比，這就相當漫長了。因此，磁盤通常是英系那個系統性能的瓶頸。作爲一般規則，在最早的Unix系統就已經實現的一個策略是：通過把把從磁盤獨處的塊轉入到RAM的一組磁盤緩衝區中來儘可能地推遲寫磁盤的時間。sync()系統調用把所有“髒”的緩衝區(即緩衝區的內容與對應磁盤塊的內容不一樣)寫入磁盤來使得磁盤同步。爲了避免數據丟失，所有的操作系統都會注意會週期性地把髒緩衝寫回磁盤。
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設備驅動程序
設備通過設備驅動程序(device sriver)與I/O設備打交道。設備驅動程序包含在內核中，由控制一個或多個設備的數據結構和函數組成，這些設備包括硬盤、鍵盤、鼠標、監視器、網絡接口以及連接到SCCI總線上的設備。通過特定的接口，每個驅動程序與內核中的其餘部分(甚至與其他驅動程序)相互作用，這個方式具有以下優點：
- 可以把特定的代碼封裝在特定的模塊中。
- 廠商不動內核源代碼，只遵守接口規範，就能增加新的設備。
- 內核以統一的方式對待所有的設備，並且通過相同的接口訪問這些設備。
- 可以把設備驅動程序寫成模塊，並且通過相同的接口訪問這些設備。
- 可以把設備驅動程序寫成模塊，並動態地把它們裝進內核，不需要重新啓動系統。不需要時，也可以卸載模塊，以減少存儲在RAM中內核的大小。
操作文件調用關係如圖所示，其中P代表了利用常用的與文件相關的系統調用及在/dev目錄下能找到的文件向內核發出請求。實際上，設備文件是設備驅動程序接口中用戶可見的部分。每個設備文件都有專門的設備驅動程序，他們有內核調用以執行對硬件設備的請求操作。
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段寄存器
爲了方便快速找到段選擇符，處理器提供段寄存器，且目的是存放段選擇符。這些段寄存器稱爲：CS、SS、DS、ES、FS和GS。儘管只有6個段寄存器，且程序可以把同一個段寄存器用於不同的目的，方法是先將其值保存在內存中，用完後再恢復。
六個寄存器中三個有專門用途：
CS：代碼段寄存器，指向存放程序指令的段。
SS：棧段寄存器，指向存放當前程序棧的段。
DS：數據段寄存器，指向存放靜態數據或者外部數據的段。
其他三個段寄存器作一般用途，可以用來訪問任意的段。
CS寄存器還有一個很重要的功能：它含有一個兩位的域，用以指明CPU的當前特權級(Current Privilege Level,CPL)。值爲0代表最高級，而值爲3代表最低級。Linux只用0~3級，分別稱之爲內核態和用戶態。
參考書籍：《深入理解Linux內核》