文章目錄
1.進程、進程切換、調度
- 系統中同時真正在運行的進程數目最多不超過CPU數目
- 確定哪個進程運行多長時間的過程稱之爲調度
2.UNIX進程
- init是進程樹的根，所有進程都直接或間接起源該進程
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UNIX創建新進程的機制：分別是fork和exec
（1）fork技術：寫時複製(copy on write)，原理：將內存複製操作延遲到父進程或子進程向某內存頁面寫入數據之前，在只讀訪問的情況下父進程和子進程可以共用同一內存頁
（2）exec將一個新程序加載到當前進程的內存中並執行。
舊程序的內存頁將刷出，其內容將替換爲新數據，然後開始執行新程序。 -
線程
進程可以看作一個正在執行的程序，線程則是與主程序並行運行的程序函數或例程 -
命名空間
每個命名空間可以包含一個特定的PID集合
3.地址空間與特權級別
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Linux將虛擬地址空間劃分爲2個部分，內核空間和用戶空間
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地址空間的最大長度與實際可用的物理內存數量無關，因此被稱之爲虛擬地址空間
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各個系統進程的用戶空間是完全彼此分離的，而虛擬地址空間頂部的內核空間總是同樣的。
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特權級別
在多處理器系統上，許多線程啓動時指定了CPU。並限制只能在某個特定的CPU上運行。從內核線程名稱之後的斜線和CPU編號可以看出這一點
[xxxx@xxxx ~]# ps fax
PID TTY STAT TIME COMMAND
2 ? S 0:01 [kthreadd]
3 ? S 0:00 \_ [migration/0]
4 ? S 0:00 \_ [ksoftirqd/0]
5 ? S 0:00 \_ [migration/0]
6 ? S 0:00 \_ [watchdog/0]
7 ? S 0:00 \_ [migration/1]
8 ? S 0:00 \_ [migration/1]
- 虛擬和物理地址空間，內核和CPU如何將實際可用的物理內存映射到虛擬地址空間的區域？
（1）使用頁表來爲物理地址分配虛擬地址。
虛擬地址關係到進程的用戶空間和內核空間，而物理地址則用來尋址實際可用的內存。
進程A的虛擬內存頁1映射到物理內存頁A，而進程B的虛擬內存頁1映射到物理內存頁5。
（2）物理內存頁經常稱作頁幀，頁則專指虛擬地址空間中的頁
（3）由於內核負責將虛擬地址空間映射到物理地址空間，因此可以決定哪些內存區域在進程之間共享，哪些不共享。
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4.頁表
- 用來將虛擬地址空間映射到物理地址空間的數據結構稱爲頁表
爲什麼需要多級頁表？
（1）若使用數組，對虛擬地址空間中的每一頁，都分配一個數組項，該數組項指向與之關聯的頁幀。若爲32bit的機器，使用4KB頁，在虛擬地址空間爲4GB的前提下，則需要包含100萬項的數組。因爲虛擬地址空間的大部分區域都沒有使用，因而也沒有關聯到頁幀，那麼就可以使用功能相同，但內存用量少的模型：多級頁表
（2）全局頁目錄PGB(Page Global Directory)，索引進程中的一個數組，每個進程僅有一個。PGD指向另一些數組PMD的起始地址
中間頁目錄PMD(Page Middle Directory)：其數組項是指針，指向下一級數組，稱之爲頁表或目錄
（3）頁表數組PTE(Page Table Entry)，用作頁表的索引。虛擬內存頁和頁幀之間的映射就此完成，頁表的數組項指向頁幀。
（4）多級頁表節省了大量的內存。每次訪問內存，通過多級頁表(逐級訪問多個數組)才能將虛擬地址轉換爲物理地址。爲了加速該過程，CPU有2種方法：內存管理單元MMU(Memory Management Unit)優化內存訪問，地址轉換中最頻繁的地址保存到TLB(地址轉換後備緩衝器，Translation Lookaside Buffer)的CPU高速緩存中
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- 內存映射：在內核中大量使用，也可應用於用戶應用程序
映射方法可以將任意來源的數據傳輸到進程的虛擬地址空間，但任何修改都會自動傳輸到原數據源。
5.物理內存的分配
- 在內核分配內存時，必須記錄頁幀的已分配或空閒狀態
內核可以只分配完整的頁幀，委託用戶空間中的標準庫將內存劃分爲更小的部分，標準庫將來源於內核的頁幀拆分爲小的區域，並未進程分配內存 - 夥伴系統：分配連續頁
（1）內核對所有大小相同的夥伴(1,2,4,8。。。。)都放置到同一個列表中管理。各有8頁的一對夥伴也在相應的列表中.
如果系統需要8個頁幀，則將16個頁幀組成的塊拆分爲2個夥伴，其中一塊用於滿足應用程序的請求，而剩餘的8個頁幀則放置到對應8頁大小內存塊的類表中。
（2）如果下一個請求只需要2個連續頁幀，則由8頁組成的塊會分裂成2個夥伴，每個包含4個頁幀。
其中一塊放置回夥伴列表中，而另一個再次分裂成2個夥伴，每個包含2頁。
其中一個回到夥伴系統，另一個則傳遞給應用程序。
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- slab緩存
內核無法使用標準庫函數，但是需要比完整頁幀小得多的內存塊，所以使用了slab緩存
（1）對頻繁使用的對象，內核定義了只包含了所需類型對象實例的緩存，slab緩存自動維護與夥伴系統的交互，在緩存用盡時會請求新的頁幀
（2）內核針對不同大小的對象定義了一組slab緩存。
與用戶空間編程不同的是，這些函數都增加了前綴k，eg：kmalloc，kfree
（3）頁幀的分配由夥伴系統進行，slab分配器則負責分配小內存以及提供一般性的內核緩存
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- 頁面交換和頁面回收
（1）頁面交換：在內核需要更多內存時，不經常使用的頁可以寫入磁盤
（2）頁面回收：用於將內存映射被修改的內容與底層的塊設備同步
6.系統調用
- 對於所有的處理器來說，一個共同點是：用戶進程從用戶態切換到內核態，並將系統關鍵任務委派給內核執行，系統調用是必由之路
7.設備驅動程序、塊設備和字符設備
- 對外設的訪問可利用/dev目錄下的設備文件來完成，程序對設備的處理完全類似於常規的文件
- 外設可分爲以下2類：
（1）字符設備
提供連續的數據流，應用程序可以順序讀取，此類設備支持按字節/字符來讀寫數據
（2）塊設備
應用程序可以隨機訪問設備數據，程序可自行確定讀取數據的位置；
硬盤是典型的塊設備，應用程序可以尋址磁盤上的任何位置，數據的讀寫只能以塊(通常是512B)的倍數進行。與字符設備不同，塊設備並不支持基於字符的尋址。
編寫塊設備的驅動程序較字符設備要複雜得多，爲此內核廣泛使用緩存機制
8.網絡
- 在發送數據時，內核必須首先根據各個協議層的要求打包數據，然後才能發送
9.文件系統
- 虛擬文件系統層、文件系統實現和塊設備層之間的互操作
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10.模塊和熱拔插
- 模塊用於在運行時，動態地向內核添加功能，如設備驅動程序、文件系統、網絡協議等
- 模塊在本質上不過是普通的程序，只是在內核空間而不是用戶空間執行而已
- 某些總線(eg：USB和FireWire)允許在系統運行時連接設備，而無需系統重啓。
在系統檢測到新設備時，通過加載對應的模塊，可以將必須的驅動程序自動添加到內核
11.緩存
- 由於內核是通過基於頁的內存映射來實現訪問塊設備的，因此緩存也是按頁組織的，也就是說整個頁都緩存起來了，故稱之爲頁緩存（page cache）
- 塊緩存已經被頁緩存取代了
12.鏈表處理
- 內核提供的標準鏈表可用於將任何類型的數據結構彼此鏈接起來。很明確，它不是類型安全的。
13.對象管理和引用計數
- （1）一般性的內核對象
- （2）對象集合
- （3）引用計數
引用計數用於檢測內核中有多少地方使用了某個對象
14.數據類型
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（1）類型定義
內核使用typedef來定義各種數據類型，以避免依賴於體系結構相關的特性，比如，各個處理器上標準數據類型的位長可能都不見得相同。 -
（2）字節序
爲表示數字，現代計算機採用大端序（ big endian）或小端序（ little endian）格式 -
（3）per-cpu變量
在有若干CPU的系統上，會爲每個CPU分別創建變量的一個實例。用於某個特定CPU的實例可以通過get_cpu(name, cpu)獲得，其中smp_processor_id()可以返回當前活動處理器的ID，用作前述的cpu參數。 -
（4）訪問用戶空間
源代碼中的多處指針都標記爲__user，該標識符對用戶空間程序設計是未知的。
這是因爲內存是通過頁表映射到虛擬地址空間的用戶空間部分的，而不是由物理內存直接映射的。因此內核需要確保指針所指向的頁幀確實存在於物理內存中 -
參考：<深入Linux內核架構>