内核的任务
在纯技术层面上,内核是硬件与软件之间的一个中间层。其作用是将应用程序的恳求传递给硬件,并充当底层驱动程序,对系统中的各类设备和组件进行轮询
从应用程序的视角来看linux 发邮件,内核可以被觉得是一台提高的计算机,将计算机具象到一个高层次上。比如,在内核轮询硬碟时,它必须确定使用那个路径来从c盘向显存复制数据,数据的位置,经由那个路径向c盘发送哪一条命令,等等。另一方面,应用程序只需发出传输数据的命令。实际的工作怎样完成与应用程序是不相干的,由于内核具象了相关的细节。应用程序与硬件本身没有联系,只与内核有联系,内核是应用程序所晓得的层次结构中的最底层,因而内核是一台提高的计算机
内核的组成部份
Linux内核的高层次概述以及完整的Linux系统中的各个层次
进程、进程切换、调度
传统上,UNIX操作系统下运行的应用程序、服务器及其他程序都称为进程。每位进程都在CPU的虚拟显存中分配地址空间。各个进程的地址空间是完全独立的,因而进程并不会意识到彼此的存在。从进程的角度来看,它会觉得自己是系统中惟一的进程。假如进程想要彼此通讯(比如交换数据)linux内核完全注释,这么必须使用特定的内核机制
因为Linux是多任务系统,它支持(看起来)并发执行的若干进程。系统中同时真正在运行的进程数量最多不超过CPU数量,因而内核会根据短的时间间隔在不同的进程之间切换(用户是注意不到的),这样就导致了同时处理多进程的表象
UNIX进程
Linux对进程采用了一种层次系统,每位进程都依赖于一个父进程。内核启动init程序作为第一个进程,该进程负责进一步的系统初始化操作,并显示登陆提示符或图形登入界面
UNIX操作系统中有两种创建新进程的机制,分别是fork和exec
进程并不是内核支持的惟一一种程序执行方式。不仅重量级进程(有时称作为UNIX进程)之外,还有一种方式是线程(有时称作为轻量级进程)。线程也早已出现相当长的一段时间,本质上一个进程可能由若干线程组成,这种线程共享同样的数据和资源,但可能执行程序中不同的代码路径
因为线程和主程序共享同样的地址空间,主程序手动可以访问接收到的数据。不仅为避免线程访问同一显存区而采取的互斥机制外linux内核完全注释,就不须要哪些通讯了
地址空间与特权级别
因为显存区域是通过表针轮询,因而CPU的字长决定了所能管理的地址空间的最大厚度。地址空间的最大宽度与实际可用的化学显存数目无关,因而被称为虚拟地址空间。使用该术语的另一个理由是,从系统中每位进程的角度来看,地址空间中只有自身一个进程,而难以感知到其他进程的存在
Linux将虚拟地址空间界定为两个部份,分别名为内核空间和用户空间
这些界定与可用的显存数目无关。因为地址空间虚拟化的结果,每位用户进程都觉得自身有3GiB显存。各个系统进程的用户空间是完全彼此分离的,而虚拟地址空间底部的内核空间总是同样的
内核把虚拟地址空间界定为两个部份,因而才能保护各个系统进程,使之彼此隔离。所有的现代CPU都提供了几种特权级别,进程可以留驻在某一特权级别
在用户状态严禁访问内核空间。用户进程不能操作或读取内核空间中的数据,也未能执行内核空间中的代码,从用户状态到核态度的切换通过系统调用的特定转换手段完成
不仅代表用户程序执行代码之外,内核还可以由异步硬件中断激活,之后在中断上下文中运行。与在进程上下文中运行的主要区别是,在中断上下文中运行不能访问虚拟地址空间中的用户空间部份。由于中断可能随机发生,中断发生时可能是任一用户进程处于活动状态,因为该进程基本上与中断的缘由无关,因而内核无权访问当前用户空间的内容。在中断上下文中运行时,内核必须比正常情况愈发慎重,比如,不能步入睡眠状态
在核态度和用户状态执行。CPU大多数时间都在执行用户空间中的代码。当应用程序执行系统调用时,则切换到核态度,内核将完成其恳求。在此期间,内核可以访问虚拟地址空间的用户部份。在系统调用完成以后,CPU切换回用户状态。硬件中断也会使CPU切换到核态度,这些情况下内核不能访问用户空间
大多数情况下,单个虚拟地址空间就比系统中可用的化学显存要大。在每位进程都有自身的虚拟地址空间时,情况也不会有哪些改善。因而内核和CPU必须考虑怎样将实际可用的化学显存映射到虚拟地址空间的区域。可取的方式是用页表来为化学地址分配虚拟地址。虚拟地址关系到进程的用户空间和内核空间,而化学地址则拿来轮询实际可用的显存
比如,进程A的虚拟显存页1映射到化学显存页4,而进程B的虚拟显存页1映射到化学显存页5。由此可见,不同进程的同一虚拟地
址实际上具有不同的涵义
化学显存页常常也称页帧。相比之下,页则专指虚拟地址空间中的页
页表
拿来将虚拟地址空间映射到化学地址空间的数据结构称为页表。实现两个地址空间的关联最容易的方式是使用链表,对虚拟地址空间中的每一页,都分配一个链表项。该字段项指向与之关联的页帧,但有一个问题。诸如,IA-32体系结构使用4KiB页,在虚拟地址空间为4GiB的前提下,则须要包含100万项的字段。在64位体系结构上,情况会更糟糕。每位进程都须要自身的页表,为此系统的所有显存都要拿来保存页表,也就是说这个方式是不切实际的
由于虚拟地址空间的大部分区域都没有使用,因此也没有关联到页帧,这么就可以使用功能相同但显存药量少得多的模型:多级分页
化学显存的分配
在内核分配显存时,必须记录页帧的已分配或空闲状态,以免两个进程使用同样的显存区域。因为显存分配和释放十分频繁,内核还必须保证相关操作早日完成。内核可以只分配完整的页帧
内核中好多时侯要求分配连续页。为快速检查显存中的连续区域,内核采用了一种古老而历经检验的技术:伙伴系统。系统中的空闲显存块总是两两分组,每组中的两个显存块叫做伙伴。伙伴的分配可以是彼此独立的。但假若两个伙伴都是空闲的,内核会将其合并为一个更大的显存块,作为下一层次上某个显存块的伙伴
内核对所有大小相同的伙伴(1、2、4、8、16或其他数量的页),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
内核本身常常须要比完整页帧小得多的显存块。因为内核难以使用标准库的函数,因此必须在伙伴系统基础上自行定义额外的显存管理层,将伙伴系统提供的页界定为更小的部份。该方式除了可以分配显存,还为频繁使用的小对象实现了一个通常性的缓存——slab缓存
页面交换通过借助c盘空间作为扩充显存,因而减小了可用的显存。在内核须要更多显存时,不时常使用的页可以写入硬碟。假如再须要访问相关数据红旗linux6.0,内核会将相应的页切换回显存。通过缺页异
常机制,这些切换操作对应用程序是透明的
页面回收用于将显存映射被更改的内容与底层的块设备同步,因此有时也简称为数据回写。数据刷出后,内核即可将页帧用于其他用途(类似于页面交换)
计时
内核必须才能检测时间以及不同时间点的时差,进程调度都会用到该功能。jiffies是一个合适的时间座标。名为jiffies_64和jiffies(分别是64位和32位)的全局变量,会按恒定的时间间隔递增。每种计算机底层体系结构都提供了一些执行周期性操作的手段,一般的方式是定时器中断
计时的周期是可以动态改变的。在没有或无需频繁的周期性操作的情况下,周期性地形成定时器中断是没有意义的,这会制止处理器增加耗电步入睡眠状态。动态改变计时周期对于供电受限的系统
是很有用的,比如电脑笔记本和嵌入式系统
系统调用
系统调用是用户进程与内核交互的精典方式
1、进程管理:创建新进程,查询信息,调试。
2、信号:发送信号,定时器以及相关处理机制。
3、文件:创建、打开和关闭文件,从文件读取和向文件写入,查询信息和状态。
4、目录和文件系统:创建、删除和重命名目录,查询信息,链接,变更目录。
5、保护机制:读取和变更UID/GID,命名空间的处理。
6、定时器函数:定时器函数和统计信息。
对所有的处理器来说,一个共同点就是:用户进程要从用户状态切换到核态度,并将系统关键任务指派给内核执行,系统调用是必由之路。
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