目錄

多用戶系統(tǒng)

進程

內(nèi)核體系架構(gòu)

文件系統(tǒng)概述

Base

硬鏈接和軟鏈接

Unix文件類型

文件描述符與索引節(jié)點

文件操作的系統(tǒng)調(diào)用

Unix內(nèi)核簡述

進程的實現(xiàn)

可重入內(nèi)核

進程地址空間

同步和臨界區(qū)

信號與進程之間的通信

進程管理

內(nèi)存管理

虛擬內(nèi)存

隨機訪問存儲器的使用

內(nèi)核分配器

進程的虛擬地址空間處理

高速緩存

任何計算機系統(tǒng)都包含一個名為操作系統(tǒng)的基本程序集合！在這個集合里最重要的程序被稱為內(nèi)核。當操作系統(tǒng)啟動的時候內(nèi)核會被裝進RAM當中。

操作系統(tǒng)說來說去就是兩個主要目標：他充當?shù)讓拥奈锢聿考糜玫某橄?，給予上層服務(wù)一個好的平臺

• 與硬件部分進行交互，為包含在硬件平臺上的所有底層可編程部件提供服務(wù)！

• 為運行在計算機系統(tǒng)上層的應(yīng)用程序即所謂的用戶程序提供一個執(zhí)行環(huán)境！

為了保障安全。我們的操作系統(tǒng)引入了一組概念，也就是用戶模式和特權(quán)模式。我們會在之后的博客中有所涉及：簡單的講：一些涉及到底層硬件訪問的操作需要在特權(quán)模式下進行，反之則會在用戶模式下進行！程序的運行有時會在兩者之間進行頻繁的切換，從而更好地完成程序所提供的服務(wù)。

多用戶系統(tǒng)

多用戶系統(tǒng)就是一臺能夠并發(fā)的執(zhí)行和獨立的執(zhí)行分別屬于兩個或者多個用戶的若干應(yīng)用程序的計算機。

并發(fā)意味著幾個應(yīng)用程序同時處于活動狀態(tài)執(zhí)行自己應(yīng)用進程所需要執(zhí)行的任務(wù)，而并不需要考慮其它應(yīng)用程序在做什么！

多用戶操作系統(tǒng)必須包含以下幾個特點

1. 核實用戶身份的認證機制

2. 防止有錯誤的用戶程序妨礙其它應(yīng)用程序在系統(tǒng)中運行的保護機制

3. 防止有惡意的用戶程序干涉或者窺視其他用戶的活動的保護機制

4. 限制分配給每個用戶的資源數(shù)的記賬機制

于是我們會把用戶進行分為用戶組在多用戶系統(tǒng)中每個用戶在機器上都會有自己的私用空間！典型的它需要一些磁盤空間來存儲文件！以及接受私人郵件信息等！這一些都需要分層的特權(quán)來實現(xiàn)一定的保護機制！

所有的用戶都用一個唯一的數(shù)字來進行標識，也就是用戶標識符！通常一個計算機系統(tǒng)只能夠由有限個人來使用。當其中的某個用戶開始一個工作session的時候，操作系統(tǒng)會要求輸入一個登錄口令。如果用戶輸入無效則會拒絕登錄，從而保障用戶的隱私。

進程

所有的操作系統(tǒng)都有一個基本的抽象：也就是進程！

進程可以定義為一個程序執(zhí)行時的一個實例或者一個運行程序所使用的上下文。在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中：一個進程在地址空間中執(zhí)行一個獨立的指令序列，地址空間是允許引用的內(nèi)存地址集合。

在多用戶系統(tǒng)中必須實施一種執(zhí)行環(huán)境：在這樣的環(huán)境里，幾個進程可以并發(fā)的活動，并能競爭系統(tǒng)資源。允許進程并發(fā)活動的系統(tǒng)叫多道程序系統(tǒng)或多處理系統(tǒng)。

作為一個單處理器系統(tǒng)上，只有一個進程能夠占用CPU。這也就意味著實際上只有一條執(zhí)行流，那么他們是如何實現(xiàn)一種感官上的并發(fā)呢？

這需要操作系統(tǒng)的進程是搶占式的！也就是說操作系統(tǒng)需要記錄每個進程所占有的CPU時間，并且周期性地激活調(diào)度程序。以保證感官上的并發(fā)！Unix操作系統(tǒng)是一個具有搶占式進程的多處理操作系統(tǒng)。換而言之，Unix操作系統(tǒng)是一個搶占式的多道處理操作系統(tǒng)！

內(nèi)核體系架構(gòu)

大部分Unix內(nèi)核是單塊結(jié)構(gòu)的！也就是說它們屬于宏內(nèi)核操作系統(tǒng)！每一個內(nèi)核層都被集成到整個內(nèi)核程序中，并且代表當前進程是在內(nèi)核態(tài)下運行！相反微內(nèi)核操作系統(tǒng)只需要內(nèi)核有一個很小的函數(shù)：即通常包括幾個同步原語，一個簡單的調(diào)度程序，和IPC通信機制。運行在微內(nèi)核上的幾個系統(tǒng)進程實現(xiàn)宏內(nèi)核操作系統(tǒng)實現(xiàn)的功能：如內(nèi)存分配，設(shè)備驅(qū)動，系統(tǒng)調(diào)用處理等。

事實證明微內(nèi)核操作系統(tǒng)的效率比較低，因為它需要花費大量的時間進行進程之間的通信。不過微內(nèi)核操作系統(tǒng)比單核快內(nèi)核有一定的理論優(yōu)勢，因為它強迫系統(tǒng)程序員采用模塊化的方法來構(gòu)建程序。所以Linux充分吸收了微內(nèi)核操作系統(tǒng)的優(yōu)點：提供了一個模塊的機制！模塊是這樣的一個目標文件：它上面的代碼可以在運行時鏈接到內(nèi)核，或者從內(nèi)核中解除鏈接。這種目標代碼通常是由一組函數(shù)組成，從而來實現(xiàn)文件系統(tǒng)，驅(qū)動程序，或其他內(nèi)核上層功能。

使用模塊的主要優(yōu)點有：

• 首先它保證了一種模塊化的方法

• 其次它實現(xiàn)了一種平臺無關(guān)性

• 接著它可以節(jié)省內(nèi)存使用，當我們不再需要他的時候可以動態(tài)的進行解除，同樣的在我們需要它的時候可以動態(tài)的進行加載

• 最后他無性能損失！

文件系統(tǒng)概述

Base

我們這樣定義文件：

Unix文件是一個以字節(jié)序列組成的信息載體!

內(nèi)核并不負責(zé)解釋自己文件的內(nèi)容！

文件或目錄名由除/和空字符之外的任意ASCII字符序列組成！大多數(shù)文件系統(tǒng)對文件名的長度都會有所限制。（比如說我們的常見的Ext2是255，你不可以把文件名搞得太長?。?/p>

這個可以查看自己的ulimit值

與樹的根相對應(yīng)的目錄被稱為根目錄，按照慣例它的名字是/

在同一目錄中的文件名并不能相同，而在不同目錄中的文件名則可以相同（因為可以通過連接不同的目錄文件名從而唯一的標識這個文件）

Unix的每個進程都有一個工作目錄（pwd，想你的shell怎么區(qū)分你當前在文件系統(tǒng)海洋的何處！）

當標識文件名時引用符號.和..：它們分別標識當前工作目錄，和父目錄。如果當前工作目錄是根目錄，那么這兩個目錄就是完全一致的！

硬鏈接和軟鏈接

包含在文件目錄的文件名就是一個文件的硬鏈接，或者簡稱鏈接。

在同一目錄或不同的目錄中同一個文件可以有好幾個鏈接！因此對應(yīng)幾個文件名。

他有兩方面的限制：首先他不允許用戶給目錄創(chuàng)建硬鏈接，因為這可能會把目錄樹變?yōu)榄h(huán)形圖，從而就不可能通過名字來定位一個文件！

其次只有在同一文件系統(tǒng)中的文件才能創(chuàng)建鏈接！這帶來比較大的限制！因為現(xiàn)在操作系統(tǒng)可能包含了多種文件系統(tǒng)！這些文件系統(tǒng)位于不同的磁盤和根目錄或分區(qū)，用戶也許無法知道它們的物理劃分！

為了克服這些限制則引入了軟鏈接，或者是符號鏈接。符號鏈接是短文件這些文件包含了另一個文件的任意路徑名。路徑名可以指向位于任意一個操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)的任意文件或目錄，甚至可以指向一個根本不存在的文件！

Unix文件類型

Unix文件類型可以是以下列的一種：

• 普通文件

• 目錄

• 符號鏈接

• 面向塊的設(shè)備文件

• 面向字符的設(shè)備文件

• 管道

• 命名管道

• 套接字

前三種文件類型是所有Unix文件系統(tǒng)的基本類型

文件描述符與索引節(jié)點

Unix對文件的內(nèi)容和描述文件的信息給出了清楚的區(qū)分！除了設(shè)備文件和特殊文件系統(tǒng)外，每個文件都由字符序列組成！文件內(nèi)容不包含任何克控制信息！如文件長度或者文件結(jié)束符。

我們使用索引節(jié)點在內(nèi)核中表示文件，從而代表一大塊文件數(shù)據(jù)進行管理！

文件也有訪問權(quán)限和文件模式：文件的潛在用戶有三種

1. 作為文件所有者的

2. 用戶同組用戶但是不包括所有者

3. 所有剩下的用戶

文件有三種訪問類型：讀，寫與執(zhí)行！

文件操作的系統(tǒng)調(diào)用

有open, read, write, close等，這里我們暫時不加討論?。梢詤⒖糒inux系統(tǒng)編程手冊學(xué)習(xí)?。?/p>

Unix內(nèi)核簡述

我們下面重點來討論Unix內(nèi)核，首先我們要說的是進程/內(nèi)核模式：

如前所述CPU既可以運行在用戶態(tài)，也可以運行在內(nèi)核態(tài)。當一個程序在用戶態(tài)下執(zhí)行的時候，它并不能直接訪問內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序，然而當應(yīng)用程序在內(nèi)核態(tài)下運行時則不再會有這些限制。當應(yīng)用程序有所請求內(nèi)核服務(wù)時，內(nèi)核才會把這個進程流陷入內(nèi)核態(tài)。當完成任務(wù)時把進程送回用戶態(tài)。進程是動態(tài)的實體，在系統(tǒng)內(nèi)通常只有有限的生存期。創(chuàng)建，撤銷，同步現(xiàn)有進程的任務(wù)都要委托給內(nèi)核中的一組例程來完成！

內(nèi)核本身不是一個進程，而是進程的管理者。除用戶進程之外：Unix系統(tǒng)還包括幾個所謂的內(nèi)核進程的特權(quán)進程。它們具有以下特點：

• 它們以內(nèi)核態(tài)運行在內(nèi)核地址空間

• 他們不與用戶直接交互，因此不需要終端設(shè)備！

• 他們通常在系統(tǒng)啟動時創(chuàng)建然后一直處于活躍狀態(tài)直到系統(tǒng)關(guān)閉

進程的實現(xiàn)

為了讓內(nèi)核管理進程所有的進程都需要用一個進程描述符進行抽象。當內(nèi)核暫停一個進程的時候，就會把幾個相關(guān)處理器寄存器的內(nèi)容保存在進程描述符里，包括：

• 程序計數(shù)器和棧指針寄存器

• 通用寄存器

• 浮點寄存器

• 包括CPU狀態(tài)信息的處理器控制器

• 用來跟蹤進程對RAM訪問的內(nèi)存管理寄存器

當內(nèi)核決定恢復(fù)一個進程的時候，他用進程描述符中合適的字段來裝載CPU寄存器。因為程序計數(shù)器中所存的值指向下一條將要執(zhí)行的指令，所以進程恐怕停止的地方恢復(fù)執(zhí)行！

可重入內(nèi)核

所有的Unix內(nèi)核都是可重入的！

這意味著若干個進程可以同時在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行，當然在單處理器系統(tǒng)上只有一個進程在真正的執(zhí)行！但是有許多進程可能在等待CPU或者某一個IO操作完成時在內(nèi)核臺下被阻塞！

提供可重入的一種方式就是編寫函數(shù)，以便這些函數(shù)只能更改局部變量，而不更改全局數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這樣的函數(shù)叫做可重入函數(shù)！

如果一個硬件中斷發(fā)生，可重入內(nèi)核可以掛起正在執(zhí)行的進程，即使這個進程處于內(nèi)核態(tài)

在最簡單的情況下CPU從第一條指令到最后一條指令順序的執(zhí)行內(nèi)核控制路徑。也就是表示內(nèi)核處理系統(tǒng)調(diào)用異?；蛑袛嗨鶊?zhí)行的指令序列

然而當下述事情發(fā)生之一，CPU交錯執(zhí)行內(nèi)核控制路徑：

• 運行在用戶態(tài)下的進程調(diào)用了一個系統(tǒng)調(diào)用，而相應(yīng)的內(nèi)核控制路徑。正是這個請求沒有辦法立即得到滿足，然后內(nèi)核控制路徑調(diào)用調(diào)度程序選擇一個新的進程。進行調(diào)度完成后，進程切換。發(fā)生第一個內(nèi)核控制路徑還沒有完成，而CPU又重新執(zhí)行其他的內(nèi)核控制路徑。在這種情況下，兩條控制路徑代表兩個不同的進程。

• 在執(zhí)行當執(zhí)行一個內(nèi)核控制路徑時，CPU檢測到了一個異常：比如說訪問了一個不在RAM中的頁，那么第一個控制路徑將會被掛起，而CPU開始執(zhí)行合適的過程。比如說在這個例子中我們則是給那進程分配一個新頁，并從磁盤中讀取它的內(nèi)容。當這個過程結(jié)束后第一個控制路徑可以恢復(fù)執(zhí)行，在這種情況下兩個控制路徑代表同一個進程在執(zhí)行

• 當CPU在運行一個啟用了中斷的內(nèi)核控制路徑時，一個硬件中斷發(fā)生。一個控制路徑還沒執(zhí)行完，CPU馬上開始執(zhí)行另一個內(nèi)核控制路徑來處理這個中斷。當這個中斷處理程序終止時，第一個內(nèi)核控制路徑恢復(fù)。在這個情況下兩條內(nèi)核控制路徑運行是同一進程的可執(zhí)行上下文。所花費的系統(tǒng)CPU時間都算給了這個進程。然而中斷處理程序無需代表這個進程運行

• 在支持搶占式調(diào)度的內(nèi)核中，CPU正在運行。但是被一個更加高級的進程加入就緒隊列。中斷發(fā)生，調(diào)度開始。第一個內(nèi)核控制路徑并沒有執(zhí)行完。CPU代表高優(yōu)先級進程又開始了另一個內(nèi)核控制路徑，只有把內(nèi)核編譯成支持搶占式調(diào)度后才有可能會出現(xiàn)這種情況?。惴判?，咱們就是這個hhh）

進程地址空間

每個進程運行在它的私有地址空間！在用戶態(tài)下運行的進程涉及到私有棧，數(shù)據(jù)區(qū)和代碼區(qū)。

當在內(nèi)核態(tài)運行時，進程訪問內(nèi)核的數(shù)據(jù)區(qū)，代碼區(qū)。但是使用的是另外的私有棧。盡管看起來每個進程都在訪問他們自己的私有棧，但是為了更好的進程間通信，有時進程之間也會共享部分地址空間！

Linux支持映射內(nèi)存（mmap）系統(tǒng)調(diào)用，該系統(tǒng)調(diào)用將允許存放在塊設(shè)備上的文件或信息映射到進程的部分地址空間。這為正常的讀寫傳送數(shù)據(jù)方式提供了另一種選擇

同步和臨界區(qū)

實現(xiàn)可重入的內(nèi)核需要利用同步機制，如果內(nèi)核控制路徑對某個內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行操作被掛起時，那么其他內(nèi)核控制路徑就不應(yīng)該對這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行操作，否則會破壞一致性狀態(tài)！

如何同步內(nèi)核控制路徑呢最徹底的辦法就是使用非搶占式的內(nèi)核（Weird huh?），其次就是禁止中斷，再就是使用信號量自旋鎖等內(nèi)核機制來防止競爭條件！

在我們使用防止競爭條件的內(nèi)核上鎖機制時，需要避免死鎖情況！在這里不予詳細討論！

信號與進程之間的通信

Unix信號提供了一種把系統(tǒng)事件報告給進程的一種機制。

有兩種系統(tǒng)事件：

• 異步通告

• 同步錯誤或異常

如果進程并沒有指定如何處理信號時，內(nèi)核會按照信號的編號進行默認操作。有可能有以下五種默認操作：

終止進程

將執(zhí)行上下文和進程地址空間的內(nèi)容寫入一個文件，并且終止進程

忽略信號

掛起進程

如果進程曾被暫停，則恢復(fù)它

進程管理

Unix在進程和它正在執(zhí)行的程序之間做出了清晰的劃分！fork和_exit這兩個系統(tǒng)調(diào)用分別用來創(chuàng)建一個進程和終止，與exec類系統(tǒng)調(diào)用則是裝入一個全新的程序！以及還有僵死進程。如果父進程丟失了跟蹤子進程的情況，那么這個子進程就認為僵尸進程。內(nèi)核會檢查子進程是否終止。引入僵死進程的特殊狀態(tài)是為了表示終止的進程。很多內(nèi)核也實現(xiàn)了waitpid系統(tǒng)調(diào)用，讓父進程可以顯示的等待一個特殊的子進程。對于那些已經(jīng)成為僵尸進程的進程，他們將會被一個以init的特殊系統(tǒng)進程收養(yǎng)進行清除！

內(nèi)存管理

虛擬內(nèi)存

所有新進的Unix系統(tǒng)都提供了一種有用的抽象：叫做虛擬內(nèi)存！

它作為一種邏輯層處于應(yīng)用程序的內(nèi)在請求與硬件內(nèi)存單元管理單元之間。虛擬內(nèi)存有很多用途與優(yōu)點，它可以讓

• 若干進程并發(fā)執(zhí)行

• 應(yīng)用程序所需內(nèi)存大于可用物理內(nèi)存時也可以運行

• 程序集有部分代碼裝入內(nèi)存時進程可以執(zhí)行

• 允許每個進程訪問可用物理內(nèi)存的子集進程

• 可以共享庫數(shù)據(jù)或程序或函數(shù)等一個單獨內(nèi)存映像

• 程序是可定位的！也就是說我們可以把程序放在物理內(nèi)存中的任何地方

• 程序員可以編寫與機器無關(guān)的代碼！因為他們根本不需要關(guān)心物理內(nèi)存的組織結(jié)構(gòu)，也就是說他把物理內(nèi)存進行了一層抽象

虛擬內(nèi)存子系統(tǒng)的主要成分是虛擬地址空間進程所用的一組內(nèi)存地址。不同于物理內(nèi)存地址！

隨機訪問存儲器的使用

隨機訪問存儲器的使用分為兩個部分：

一部分被專門用來存放內(nèi)核映像，另一部分則由虛擬內(nèi)存系統(tǒng)來進行處理：

• 用來滿足內(nèi)核對緩沖區(qū)描述服務(wù)及其它動態(tài)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的請求

• 滿足進程對一般性內(nèi)存區(qū)的請求即對文件內(nèi)存映射的請求

• 借助于高速緩存從磁盤或者其他緩沖設(shè)備獲得較好的性能內(nèi)存

內(nèi)核分配器

它是一個子系統(tǒng)，試圖滿足系統(tǒng)中所有部分對內(nèi)存的請求！其中一些請求可能來自內(nèi)核其他子系統(tǒng)。他們需要一些內(nèi)核使用的內(nèi)存，還有一些請求則是來自用戶程序的系統(tǒng)調(diào)用，以用來增加用戶程序進程的地址空間！

一個好的內(nèi)核內(nèi)存分配器需要具有以下特點：

它必須快，實際上這是最重要的屬性！因為它為所有的內(nèi)核子系統(tǒng)所調(diào)用

必須把內(nèi)存的浪費減到最少

必須努力減輕內(nèi)存的碎片問題

必須能與其他內(nèi)存管理子系統(tǒng)進行合作，以便借用和釋放頁框

現(xiàn)在已經(jīng)提出了好幾種內(nèi)核內(nèi)存分配器進程！這個可以查詢其他資料！

進程的虛擬地址空間處理

進程的虛擬地址空間包括了進程可以引用的所有虛擬內(nèi)存地址，內(nèi)核通常用一組內(nèi)存區(qū)描述符描述進程！虛擬地址空間內(nèi)核分配給進程的虛擬地址空間主要有以下這幾個部分：

• 組成程序的可執(zhí)行代碼

• 程序的初始化和未初始化的數(shù)據(jù)

• 初始程序棧

• 所需共享庫的可執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)

• 堆

高速緩存

物理內(nèi)存的一大優(yōu)勢就是用來磁盤和其它塊設(shè)備的高速緩存！因為磁盤訪問非常的慢，這與訪問內(nèi)存相比實在太長！因此磁盤通常是影響系統(tǒng)性能的一大瓶頸所在，最早的Unix系統(tǒng)中早就已經(jīng)實現(xiàn)了一個策略就是對推遲寫磁盤的時間，我們將在后續(xù)的實現(xiàn)中看看Linux是如何做到的！文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-860779.html

到了這里，關(guān)于Linux 內(nèi)核深入理解 - 緒論的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！