深入理解Linux内核3

Unix内核概述

Unix内核提供了应用程序可以运行的环境，因此，内核必须实现一组服务及相应的接口。应用程序使用这些接口而不会跟硬件资源直接交互。

- 进程/内核模式

• 用户态和内核态
• 进程是动态的实体，在系统内通常只有有限的生存期
• 内核本身不是一个进程，而是进程的管理者
  -请求内核服务的进程使用系统调用
• 除了用户进程，还有些称为内核线程的特权进程
  
  • 以内核态运行在内核地址空间
  • 不与用户交互，不需要终端设备
  • 通常系统创建时启动，然后一直处于活跃状态
• 激活内核例程的几种方式
  
  • 系统调用
  • 正在执行进程的CPU发出一个异常信号
  • 外围设备向CPU发出一个中断信号
  • 内核线程被执行

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进程实现

• 每个进程有一个进程描述符（包含有关进程的当前状态的信息）

• 当内核暂停一个进程执行时，把几个相关处理器寄存器保存在进程描述符中

  • 程序计数器PC，栈指针sp寄存器
  • 通用寄存器
  • 浮点寄存器
  • 包含CPU状态信息的处理器控制寄存器（处理器状态字）
  • 跟踪进程对RAM访问的内存管理寄存器

• 内核恢复一个进程执行时，用进程描述符中的合适字段装载CPU寄存器

• 等待状态可能会有很多，有进程描述符队列实现、

可重入内核

• 所有Unix内核都是可重入的（若干个进程可以同时在内核态下执行）
• 可重入的一种方式是编写函数，至修改局部变量。
• 内核也可以包含非重入函数，利用锁机制来保证有且只有一个进程执行非重入函数
• 内核控制路径（指令序列）
• 内核控制路径交错执行

进程地址空间

• 每个进程运行在自己的私有地址空间
• 用户态下涉及私有栈、数据区和代码区
• 内核态下，进程访问内核的数据区和代码区，但使用另外的私有栈
• 每个内核路径都引用自己的私有内核栈

• 有时候也会共享部分地址空间

  同步和临界区

• 一致性状态

• 抢占式和非抢占式内核
• 禁止中断

• 信号量

  • 组成：一个整数变量、一个等待进程的链表和两个原子方法（down（）和up（））。

• 自旋锁（检查信号量耗时多，对于时间较短的操作较低效）

  • 跟信号量很相似
  • 但是没有进程链表
  • 但处理器环境下无效
• 避免死锁

信号和进程间通信

• 信号量
• 消息队列
• 共享内存
• IPC资源是持久不变的

进程管理

• fork（）和_exit（）系统调用分别创建一个新进程和终止一个进程
• exec（）类系统调用装入一个新程序
• fork（）的进程是父进程，而新进程是它的子进程。
• 父子进程可以互相找到对方
• 每个进程的数据结构中有两个指针，一个指向父，一个指向子
• 写时复制技术

僵死进程

• 父进程等待子进程结束，wait4（）系统调用
• init的特殊系统进程，系统初始化时创建
• 当一个进程终止时，内核改变它的所有子进程的进程描述符指针，成为init的孩子

进程组和登录会话

• 进程组（作业的抽象）
• 登录会话通常是shell进程为用户创建的第一条命令
• 一个登录会话可以让几个进程组同时处于活动状态
• bg和fg命令的使用

内存管理

重点
- 虚拟内存
- 随机访问存储器RAM的使用
- 内核内存分配器KMA
- 进程虚拟地址空间处理，调页分配策略
- 高速缓存
- 设备驱动程序