Linux内核的组成部分

1.进程、进程切换、调度

• 系统中同时真正在运行的进程数目最多不超过CPU数目
• 确定哪个进程运行多长时间的过程称之为调度

2.UNIX进程

• init是进程树的根，所有进程都直接或间接起源该进程

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• UNIX创建新进程的机制：分别是fork和exec
  （1）fork技术：写时复制(copy on write)，原理：将内存复制操作延迟到父进程或子进程向某内存页面写入数据之前，在只读访问的情况下父进程和子进程可以共用同一内存页
  （2）exec将一个新程序加载到当前进程的内存中并执行。
  旧程序的内存页将刷出，其内容将替换为新数据，然后开始执行新程序。

• 线程
  进程可以看作一个正在执行的程序，线程则是与主程序并行运行的程序函数或例程

• 命名空间
  每个命名空间可以包含一个特定的PID集合

3.地址空间与特权级别

• Linux将虚拟地址空间划分为2个部分，内核空间和用户空间
  

• 地址空间的最大长度与实际可用的物理内存数量无关，因此被称之为虚拟地址空间

• 各个系统进程的用户空间是完全彼此分离的，而虚拟地址空间顶部的内核空间总是同样的。

• 特权级别
  在多处理器系统上，许多线程启动时指定了CPU。并限制只能在某个特定的CPU上运行。从内核线程名称之后的斜线和CPU编号可以看出这一点

[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]

• 虚拟和物理地址空间，内核和CPU如何将实际可用的物理内存映射到虚拟地址空间的区域？
  （1）使用页表来为物理地址分配虚拟地址。
  虚拟地址关系到进程的用户空间和内核空间，而物理地址则用来寻址实际可用的内存。
  进程A的虚拟内存页1映射到物理内存页A，而进程B的虚拟内存页1映射到物理内存页5。
  （2）物理内存页经常称作页帧，页则专指虚拟地址空间中的页
  （3）由于内核负责将虚拟地址空间映射到物理地址空间，因此可以决定哪些内存区域在进程之间共享，哪些不共享。
  

4.页表

• 用来将虚拟地址空间映射到物理地址空间的数据结构称为页表
  为什么需要多级页表？
  （1）若使用数组，对虚拟地址空间中的每一页，都分配一个数组项，该数组项指向与之关联的页帧。若为32bit的机器，使用4KB页，在虚拟地址空间为4GB的前提下，则需要包含100万项的数组。因为虚拟地址空间的大部分区域都没有使用，因而也没有关联到页帧，那么就可以使用功能相同，但内存用量少的模型：多级页表
  （2）全局页目录PGB(Page Global Directory)，索引进程中的一个数组，每个进程仅有一个。PGD指向另一些数组PMD的起始地址
  中间页目录PMD(Page Middle Directory)：其数组项是指针，指向下一级数组，称之为页表或目录
  （3）页表数组PTE(Page Table Entry)，用作页表的索引。虚拟内存页和页帧之间的映射就此完成，页表的数组项指向页帧。
  （4）多级页表节省了大量的内存。每次访问内存，通过多级页表(逐级访问多个数组)才能将虚拟地址转换为物理地址。为了加速该过程，CPU有2种方法：内存管理单元MMU(Memory Management Unit)优化内存访问，地址转换中最频繁的地址保存到TLB(地址转换后备缓冲器，Translation Lookaside Buffer)的CPU高速缓存中
  
• 内存映射：在内核中大量使用，也可应用于用户应用程序
  映射方法可以将任意来源的数据传输到进程的虚拟地址空间，但任何修改都会自动传输到原数据源。

5.物理内存的分配

• 在内核分配内存时，必须记录页帧的已分配或空闲状态
  内核可以只分配完整的页帧，委托用户空间中的标准库将内存划分为更小的部分，标准库将来源于内核的页帧拆分为小的区域，并未进程分配内存
• 伙伴系统：分配连续页
  （1）内核对所有大小相同的伙伴(1,2,4,8。。。。)都放置到同一个列表中管理。各有8页的一对伙伴也在相应的列表中.
  如果系统需要8个页帧，则将16个页帧组成的块拆分为2个伙伴，其中一块用于满足应用程序的请求，而剩余的8个页帧则放置到对应8页大小内存块的类表中。
  （2）如果下一个请求只需要2个连续页帧，则由8页组成的块会分裂成2个伙伴，每个包含4个页帧。
  其中一块放置回伙伴列表中，而另一个再次分裂成2个伙伴，每个包含2页。
  其中一个回到伙伴系统，另一个则传递给应用程序。
  
• slab缓存
  内核无法使用标准库函数，但是需要比完整页帧小得多的内存块，所以使用了slab缓存
  （1）对频繁使用的对象，内核定义了只包含了所需类型对象实例的缓存，slab缓存自动维护与伙伴系统的交互，在缓存用尽时会请求新的页帧
  （2）内核针对不同大小的对象定义了一组slab缓存。
  与用户空间编程不同的是，这些函数都增加了前缀k，eg：kmalloc，kfree
  （3）页帧的分配由伙伴系统进行，slab分配器则负责分配小内存以及提供一般性的内核缓存
  
• 页面交换和页面回收
  （1）页面交换：在内核需要更多内存时，不经常使用的页可以写入磁盘
  （2）页面回收：用于将内存映射被修改的内容与底层的块设备同步

6.系统调用

• 对于所有的处理器来说，一个共同点是：用户进程从用户态切换到内核态，并将系统关键任务委派给内核执行，系统调用是必由之路

7.设备驱动程序、块设备和字符设备

• 对外设的访问可利用/dev目录下的设备文件来完成，程序对设备的处理完全类似于常规的文件
• 外设可分为以下2类：
  （1）字符设备
  提供连续的数据流，应用程序可以顺序读取，此类设备支持按字节/字符来读写数据
  （2）块设备
  应用程序可以随机访问设备数据，程序可自行确定读取数据的位置；
  硬盘是典型的块设备，应用程序可以寻址磁盘上的任何位置，数据的读写只能以块(通常是512B)的倍数进行。与字符设备不同，块设备并不支持基于字符的寻址。
  编写块设备的驱动程序较字符设备要复杂得多，为此内核广泛使用缓存机制

8.网络

• 在发送数据时，内核必须首先根据各个协议层的要求打包数据，然后才能发送

9.文件系统

• 虚拟文件系统层、文件系统实现和块设备层之间的互操作
  

10.模块和热拔插

• 模块用于在运行时，动态地向内核添加功能，如设备驱动程序、文件系统、网络协议等
• 模块在本质上不过是普通的程序，只是在内核空间而不是用户空间执行而已
• 某些总线(eg：USB和FireWire)允许在系统运行时连接设备，而无需系统重启。
  在系统检测到新设备时，通过加载对应的模块，可以将必须的驱动程序自动添加到内核

11.缓存

• 由于内核是通过基于页的内存映射来实现访问块设备的，因此缓存也是按页组织的，也就是说整个页都缓存起来了，故称之为页缓存（page cache）
• 块缓存已经被页缓存取代了

12.链表处理

• 内核提供的标准链表可用于将任何类型的数据结构彼此链接起来。很明确，它不是类型安全的。

13.对象管理和引用计数

• （1）一般性的内核对象
• （2）对象集合
• （3）引用计数
  引用计数用于检测内核中有多少地方使用了某个对象

14.数据类型

• （1）类型定义
  内核使用typedef来定义各种数据类型，以避免依赖于体系结构相关的特性，比如，各个处理器上标准数据类型的位长可能都不见得相同。

• （2）字节序
  为表示数字，现代计算机采用大端序（ big endian）或小端序（ little endian）格式

• （3）per-cpu变量
  在有若干CPU的系统上，会为每个CPU分别创建变量的一个实例。用于某个特定CPU的实例可以通过get_cpu(name, cpu)获得，其中smp_processor_id()可以返回当前活动处理器的ID，用作前述的cpu参数。

• （4）访问用户空间
  源代码中的多处指针都标记为__user，该标识符对用户空间程序设计是未知的。
  这是因为内存是通过页表映射到虚拟地址空间的用户空间部分的，而不是由物理内存直接映射的。因此内核需要确保指针所指向的页帧确实存在于物理内存中

• 参考：<深入Linux内核架构>