Linux內核子系統
Linux內核子系統的結構在前面的博客中提到過：
本次文章介紹其中的兩個主要部分：內存管理子系統 和 進程管理子系統。
Linux內存管理子系統
內存管理子系統模型圖：
內存管理子系統的職能：
1、虛擬內存地址與物理內存地址之間的映射
2、物理內存的分配
地址映射管理 模型圖：
若系統爲32位系統，則對應的虛擬內存的大小爲4G
地址映射管理包括兩部分：
1、虛擬內存空間分佈
2、虛擬地址轉化爲物理地址
虛擬內存的空間分佈：
（地址：0G-3G）用戶空間，運行應用程序
（地址：3G-4G）內核空間
內核空間包括：
1、3G – 3G+896MB 直接映射區
2、vmalloc區
3、永久映射區
4、固定映射區
虛擬地址轉化爲物理地址
上面講到的用戶空間的四個部分在映射到物理地址時有一定的區別：
1、直接映射區：物理內存中896M以下的位置稱爲低端內存，以上的區域稱爲高端內存，在直接映射區中，若虛擬地址爲：3G+128，則物理地址就是128。直接映射區虛擬地址=3G+物理地址。
2、vmalloc區：即可訪問低端物理地址，也可訪問高端地址，沒有線性的映射特性。
3、永久映射區：固定用來訪問高端物理內存區域。
4、固定映射區：與特殊的寄存器建立映射關係。
物理內存的分配
Linux使用虛擬內存，因此程序中分配的都是虛擬地址，只有訪問虛擬地址時，纔會爲其分配物理內存。
當獲取到虛擬地址時，並不會爲其分配物理內存。
當調用malloc函數時，只是分配了一個虛擬地址，當向其中寫入數據時纔會分配物理內存。
當使用 kmalloc 函數時，不僅爲其分配虛擬地址，同時還會爲其分配物理內存地址。
Linux進程管理子系統
進程與程序：
程序：
存放在磁盤上的一系列代碼和數據的可執行映像，是一個靜止的實體。
進程：
是一個執行中的程序，它是動態的實體。
進程四要素：
1、有一段程序供其執行。這段程序不一定是某個進程所專有，可以與其他進程共用。
2、有進程專用的內核空間堆棧。
3、在內核中有一個task_struct數據結構，即通常所說的“進程控制塊”。有了這個數據結構，進程才能成爲內核調度的一個基本單位接受內核的調度。
4、有獨立的用戶空間。
Linux進程狀態：（此處比一般的三種狀態更詳細）
1、TASK_RUNNING
進程正在被CPU執行，或者已經準備就緒，隨時可以執行。當一個進程剛被創建時，就處於TASK_RUNNING狀態。
2、TASK_INTERRUPTIBLE
處於等待中的進程，待等待條件爲真時被喚醒，也可以被信號或者中斷喚醒。
3、TASK_UNINTERRUPTIBLE
處於等待中的進程，待資源有效時喚醒，但不可以由其它進程通過信號(signal)或中斷喚醒。
4、TASK_KILLABLE
Linux2.6.25新引入的進程睡眠狀態，原理類似於TASK_UNINTERRUPTIBLE，但是可以被致命信號(SIGKILL) 喚醒。
5、TASK_TRACED
正處於被調試狀態的進程。
6、TASK_DEAD
進程退出時(調用do_exit)，所處的狀態。
Linux進程描述：
在Linux內核代碼中，線程、進程都使用結構 task_struct (sched.h) 來表示，它包含了大量描述進程/線程的信息，其中比較重要的有：
pid_t pid; //進程號
long state; //進程狀態
int prio; //進程優先級
什麼是進程調度
從就緒的進程中選出最適合的一個來執行。
進程調度涉及到的內容：
1、調度策略
2、調度時機
3、調度步驟
調度策略：
SCHED_ NORMAL(SCHED_OTHER)：普通的分時進程。
SCHED_FIFO：先入先出的實時進程。
SCHED_RR：時間片輪轉的實時進程。
SCHED_BATCH：批處理進程。
SCHED_IDLE：只在系統空閒時才能夠被調度執行的進程。
調度時機：
即schedule()函數什麼時候被調用。
主動式調度：
在內核中直接調用schedule()。當進程需要等待資源等而暫時停止運行時，會把自己的狀態置於掛起（睡眠），並主動請求調度，讓出CPU。
範例：
1、current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
2、schedule();
被動式調度：
被動式調度又名：搶佔式調度。分爲：用戶態搶佔(Linux2.4、Linux2.6)和內核態搶佔(Linux2.6)。
用戶態搶佔：
用戶搶佔發生在：
1、從系統調用返回用戶空間。
2、從中斷處理程序返回用戶空間。
內核即將返回用戶空間的時候，如果need_resched標誌被設置，會導致schedule()被調用，即發生用戶搶佔。
- 當某個進程耗盡它的時間片時，會設置need_resched標誌。
- 當一個優先級更高的進程進入可執行狀態的時候，也會設置need_resched標誌。
用戶態搶佔缺陷：
進程/線程一旦運行到內核態，就可以一直執行，直到它主動放棄或時間片耗盡爲止。這樣會導致一些非常緊急的進程或線程將長時間得不到運行，降低整個系統的實時性。
改進方式：
允許系統在內核態也支持搶佔，更高優先級的進程/線程可以搶佔正在內核態運行的低優先級進程/線程。
內核態搶佔：
內核搶佔可能發生在：
1、中斷處理程序完成，返回內核空間之前。
2、當內核代碼再一次具有可搶佔性的時候，如解鎖及使能軟中斷等。
在支持內核搶佔的系統中，某些特例下是不允許搶佔的：
1、內核正在運行中斷處理。
2、內核正在進行中斷上下文的Bottom Half（中斷的底半部）處理。硬件中斷返回前會執行軟中斷，此時仍然處於中斷上下文中。
3、進程正持有spinlock自旋鎖、writelock/readlock讀寫鎖等，當持有這些鎖時，不應該被搶佔，否則由於搶佔將可能導致其他進程長期得不到鎖，而讓系統處於死鎖狀態。
4、內核正在執行調度程序Scheduler。搶佔的原因就是爲了進行新的調度，沒有理由將調度程序搶佔掉再運行調度程序。
搶佔計數：
爲保證Linux內核在以上情況下不會被搶佔，搶佔式內核使用了一個變量preempt_ count，稱爲內核搶佔計數。這一變量被設置在進程的thread_ info結構中。每當內核要進入以上幾種狀態時，變量preempt_ count就加1，指示內核不允許搶佔。每當內核從以上幾種狀態退出時，變量preempt_count就減1，同時進行可搶佔的判斷與調度。
調度步驟
Schedule函數工作流程如下：
1、清理當前運行中的進程；
2、選擇下一個要運行的進程；
3、設置新進程的運行環境；
4、進程上下文切換 。