读深入理解Linux内核 （前言和第一章）

前言

本书的价值

剖析操作系统的关键部分，重要算法，和重要数据结构，帮助您从海量的内核代码中找到路径，而不至于淹没其中。

要了解计算机究竟是怎么工作的，只了解计算机架构（处理器架构，总线，外设等）是不够的，本书讲述计算机硬件之上，软件核心，操作系统内核的实现。

本书不是乏味地陈述设计和展示代码，而是结合背景，历史和揭示设计背后的原因，所以是一本非常耐读的典藏。

每一章，先给出理论上的概述，然后讨论关键数据结构，再之后从最底层的函数讲到更高层的函数，直到支持应用程序的系统调用。

全书概貌

第二章：内存寻址，这是内存管理的基础（页表，虚存等），而内存管理是内核的核心

第三章：进程，以及用户态和内核态的切换

第四章：中断和例外，用户态和内核态切换的实现支撑

第五章：内核同步机制

第六章：时间(Timing)

第七章：进程的调度

第八章：内存管理

第九章：进程地址空间

第十章：系统调用

第十一章：信号

第十二章：虚拟文件系统

第十三章：I/O架构和设备驱动

第十四章：块设备驱动

第十五章：页高速缓冲，使用内存来减少硬盘的访问，极大提高系统性能

第十六章：文件访问

第十七章：页回收

第十八章：Ext2/Ext3文件系统

第十九章：进程间通信

第二十章：程序执行，解释用户程序如何执行

附A:Linux启动

附B:内核定制

第一章：介绍

严格来讲，Linux是操作系统内核，它不包含内核之外的操作系统组件，比如桌面，系统管理工具等。Linuxdistribution,比如Ubuntu,Fedora才是完整的操作系统。

Linux是类Unix操作系统，遵循POSIX（PortableOperating Systems based on Unix）标准。

1. Linux对比其它类Unix内核

Linux具备以下优秀商用Unix内核的优点：

1. 单内核

单内核是相对微内核而言（但是微内核不是更优秀么？），Linux是单内核

2. 动态加载模块，比如设备驱动

3. 内核线程

内核线程之间切换开销较小，因为在同一地址空间。Linux在很有限的几个方面用到内核线程（但为何这是优势？）。

4. 多线程支持

一个应用可以由很多轻量级进程(LWP– Lightweight process)组成，它们共享地址空间，打开的文件等。

大多数商业Unix，LWP是基于内核线程。而Linux中，LWP进程是最基本的执行单元，通过非标准的clone()系统调用产生。

5. 抢占式内核

可抢占式内核：即当进程位于内核空间时，有一个更高优先级的任务出现时，如果当前内核允许抢占，则可以将当前任务挂起，执行优先级更高的进程。

非抢占式内核：高优先级的进程不能中止正在内核中运行的低优先级的进程而抢占CPU运行。进程一旦处于核心态（例如用户进程执行系统调用），则除非进程自愿放弃CPU，否则该进程将一直运行下去，直至完成或退出内核

抢占式内核的意义：实时系统对响应时间有严格的限定，当一个实时进程被实时设备的硬件中断唤醒后，它应在限定的时间内被调度执行。事实上当内核执行长的系统调用时，实时进程要等到内核中运行的进程退出内核才能被调度，由此产生的响应延迟，在如今的硬件条件下，会长达100ms级。这对于那些要求高实时响应的系统是不能接受的。而可抢占的内核不仅对Linux的实时应用至关重要，而且能解决Linux对多媒体（video，audio）等要求低延迟的应用支持不够好的缺陷。

6. 多处理器支持

Linux系统支持多处理器，每个处理器可以运行任何任务，没有任何区别。这样系统可以自动把负载均衡到不同的CPU上。

7. 文件系统

面向对象的虚拟文件系统设计(VFS)，使得Linux广泛支持各种文件系统

8. STREAMS (笔者按：没明白)

除此之外，Linux还具备以下优点：

1. 免费

2. 组件可选，内核可定制

3. 支持低端廉价的机器

4. 高效

5. 稳定，和优秀的Linux开发群体

6. 可定制到很小

7. 兼容，和广泛的硬件支持

8. 支持好，流行

2. 硬件支持

支持各种处理器架构

3. Linux版本

Linux2.5及2.5之前，Linux版本由3个数字组成，比如2.6.10，前两个是版本，最后一个是发布号。中间的数字，偶数代表稳定版本，奇数代表开发版本。

然而Linux2.6之后，中间的数字不再区分稳定或开发版本，新的发布(release)都是不稳定的，补丁(patch)版本才是稳定的。也就是增加了一个patch号。比如：2.6.11.12，其中2.6.11是发布版本，最后的12是该版本的补丁版本。

4. 基本的操作系统概念

操作系统实际包含内核和其它一些基本的程序，因为内核是最重要和关键的，所以这里用操作系统指代内核。

操作系统（内核）主要功能：

1. 和硬件交互，驱动硬件平台组件

2. 提供应用程序运行环境

大多数操作系统隔离低层硬件，应用程序访问硬件必须通过内核，由内核来管理权限，和仲裁。

为了保护这种机制，现代处理器架构引入两种CPU执行模式，应用程序运行在非特权模式，内核运行在特权模式。

除此之外，还有以下需求或概念影响操作系统的设计。

多用户系统

用户和组

进程（应用程序）

这里进程指的是，一个程序的运行实例，它可以包含多个共享地址空间的线程（LWP轻量级进程）。或者说一个程序运行的上下文。

5. 内核架构

微内核比单内核要慢些。

微内核理论上更有优势，主要是逻辑上更清晰。微内核更方便移植。

Linux虽然是单内核，但设计具备很多微内核的优点。Linux引入模块概念，模块可以动态加载或卸载。模块虽然不像微内核设计里的系统组件作为独立进程运行，模块的使用具备以下优点：

1. 促进软件模块化

2. 独立于处理器架构

3. 动态加载卸载，有利使用内存

4. 无性能损失（微内核模块间通信损失性能）

6. Linux文件系统概述

文件

硬链接和软链接

硬链接，即链接，一个文件可以有多个硬链接，删除了所有的硬链接才删除该文件。硬链接即文件名。

软链接，有点像快捷方式，删除软链接对文件没有任何影响，创建软链接，相当于创建了一个软链接的文件。

$ ln -s p1 p2

文件类型

1. 普通文件

2. 目录

3. 软链接

4. 块设备文件

5. 字符设备文件

6. 管道

7. 套接字(Socket)

文件描述符和Inode

Unix抽象里，文件信息和文件内容是分开放置的。

文件系统操作一个文件需要的信息，放在Inode数据结构里，包括：

文件类型，硬链接个数，大小，设备Id，inode号，UID,Group ID，时间戳，权限

可以这么理解：目录里的文件名是硬链接，关联一个inode，inode指向文件的存储位置。而目录本身也是一个文件。

权限和文件模式

suid: 执行程序的进程是沿袭进程执行者的用户Id，还是沿袭文件的用户ID等。

sgid, sticky：类似

文件相关的系统调用

open()，read(),write(), lseek(), close(), rename(), unlink()

7. Linux内核概览

进程/内核模型

进程/内核模型：当进程需要一个内核服务，需要通过系统调用。系统调用通过cpu指令从用户态切换到内核态。

进程实现

每个进程有一个进程描述符。

进程切换时，内核保存当前进程状态：程序指针，栈指针，通用寄存器，等。

可重入内核

内核可重入指，一个进程进入内核后，另一个进程也可以进入内核。当一个进程调用某个系统调用阻塞在内核，另外一个进程依旧可以调用该系统调用。

内核控制路径(kernelcontrol path):内核响应系统调用，处理例外或中断时，这些情况下内核的执行路径。

可重入值，多个内核控制路径同时发生，而不需要等待之前的路径完成。

进程地址空间

每个进程运行在自己的地址空间。当进程运行在用户态，进程有自己的栈，数据和代码段。当运行在内核态，进程使用内核的数据和代码段，并且拥有另外一个私有的栈。

由于内核可重入，几个内核控制路径可以轮流执行。每个内核路径都有自己的内核栈。

所以内核程序还是不同于应用应用程序的，应用程序是main()入口，内核启动后，系统调用是其入口，中断也是其内部中断处理程序的入口。

同步和临界区域

实现可重入的内核需要同步技术。

竞态(racecondition)指多个进程共享资源，结果会因进程调度时序不同而差异时。

原子操作：比如读某个变量，然后变量减一；两个动作若在一个指令上完成，称为原子操作

临界区域：指某段代码区域，一次只能一个进程执行，否则可能产生竞态。

几种同步机制：

1. 关闭内核抢占

2. 禁止中断

3. 信号量

down()，当信号量为0，down()把当前进程加入到信号量的等待队列，然后调用内核调度器。。。

4. 自旋锁(spinlock)

spinlock，是一个无限循环不断查询锁是否打开，它是不让出CPU的。所以spinlock对单处理器是没有用的，必须需要另外一个处理器来解锁，而不是进入等待队列，让另外的进程来解锁。spinlock对多处理器才有用，比信号量更高效。

信号和进程间通信

信号：unix信号用于通知进程系统事件

信号可以是用户发给后台进程，如SIGKILL，也可以是内核发送某个例外，如SIGSEGV给进程。

信号可用于进程间通信。

信号的处理：进程可以处理信号，也可忽略。如果忽略该信号，内核会执行默认的动作，比如中止进程，挂起进程，或恢复进程。

其它进程间通信，SystemV IPC，POSIX消息队列。

进程管理

Unix严格区分进程和程序。fork()用于创建一个进程，而exec()用于装载和运行一个程序

“Copy on Write”：fork()的子进程会共享母进程的地址空间，当写入某区域时才申请新的页

僵尸进程

如果母进程没有通过wait4()回收子进程，终止的子进程在内核里变成僵尸进程，不运行，但对应的task_struct未释放。

母进程终止时，她的子进程会变成init的子进程，子进程终止时作为init的子进程而被回收。

进程组和登录会话

内存管理

虚拟内存

虚拟地址空间。虚拟内存是在应用程序内存和MMU之间的一层逻辑。

RAM使用

内核内存申请

Linux 采用Slab分配器

进程虚拟地址空间管理

进程地址空间

页高速缓存

提高块设备访问效率，尤其磁盘文件

设备驱动

内核对待所有设备采用统一方式，通过统一接口访问。

设备是被抽象成文件，因此设备驱动是挂在虚拟文件系统之下。