《深入Linux内核架构》摘要

• 32位系统，每个进程的地址空间是3GB,1Gb内核空间。这种划分与内存的数量无关，当然这种比例可以通过配置来修改
• 64位系统情况更复杂，它们倾向于使用小于64位的理论最大虚拟地址空间，这样管理有效地址空间所需的位数较少。
• intel处理器分四种特权级别，linux只有使用了两种，核心态和用户态。从用户态道核心态需要通过系统调用来切换。
• ps fax查看的结果中，用方括号扩起来的是内核线程。
• 多数情况下，虚拟地址空间要比可用的物理内存要大。
• 物理内存页常常被称为页帧，页则专指虚拟地址空间中的页。
• 用来将虚拟地址空间映射到物理地址空间的数据结构称为页表。
• 由于页表通常是4KB这样导致记录页表的数据也非常大，因此采用个多级分页。linux采用了四级页表。32位两级，64位三级或四级
• 内存映射，映射方法可以将任意来源的数据传输到进程虚拟地址空间中。

物理内存的分配

• 内核中很多时候要求分配连续页。为快速检测内存中的连续区域，内核采用了一种古老而历经检验的技术：伙伴系统
• 由于内核无法使用标准库的函数，因而必须在伙伴系统基础上自行定义额外的内存管理层，将伙伴系统提供的页划分为更小的部分。-slab缓存。

进程管理和调度

进程优先级

• 进程可分为实时进程和非实时进程
• 通常有，硬实时进程，软实时进程，普通进程

进程生命周期

• 运行态：进程正在执行
• 等待态（就绪）：进程能够运行，但是没有许可，需要等待CPU时间
• 睡眠态（阻塞态）：进程阻塞无法运行，它正在等待一个外部事件
• 进程无法直接从阻塞态直接变为运行态
• 从用户态切换到核心态，通常方法有系统调用，中断（例如进入系统的网络数据包）
• 普通进程总是可能被抢占
• 如果系统处理核心态，那么系统中的其他进程无法夺取CPU时间，但中断可以中止系统调用
• 中断可以暂停处于用户态和核心态的进程。中断具有最高优先级

进程类型

• 新进程是使用fork和exec系统调用产生的
• fork生成当前进程的一个相同副本，该副本称之为子进程。原进程的所有资源都以适当的方式复制到子进程。注意，fork采用了写时复制技术
• exec从一个可执行的二进制文件加载另一个应用程序，来代替当前运行的进程。

命名空间

• 全局资源可以通过命名空间抽象起来，这使得可以将一组进程放置到容器中，哥哥容器彼此隔离。

进程ID号

• UNIX进程总是会分配一个号码用于在其命名空间中唯一地标识它们。该号码称作进程ID号
• 分配一个空闲的piu，本质上就等同于寻找位图中第一个值位0的比特，释放一个pid可通过将对应的比特从1切换为0来实现。

进程管理相关的系统调用

• fork是重量级调用，因为它建立了父进程的一个完整副本，然后作为子进程执行。
• vfokr类似于fork，但并不创建父进程数据的副本。相反，父子进程之间共享数据。它用于子进程形成后，立即执行execve系统调用加载新程序的情形。但是由于fork使用了写时复制技术，vfork在速度方面不再有优势。
• clone产生线程，可以对父子进程之间的工农乡，复制进行精确控制
• 写时复制技术。fork时，并不复制进程的整个地址空间，而只复制其页表，这样就建立了虚拟地址空间和物理内存页之间的联系。只要一个进程师徒像复制的内存页写入，处理器就会像内核报告访问错误。如果该页是可读可写，则进行复制。写时复制机制使得内核可以尽可能延迟内存页的复制，更重要的是，在很多情况下不需要复制，这节省了大量时间。
• 依赖于execve的实现，释放原进程使用的所有资源，将应用程序映射到虚拟地址空间，设置进程指令指针和其他特定于体系结构的寄存器。
• 进程必须用exit系统调用终止，这使得内核有机会将该进程使用的资源释放回系统。

调度器的实现

• 调度器的任务是在程序之间共享CPU时间，创造并行执行的错觉。
• 该任务分为两个不同部分，一个是调度策略，一个是上下文切换
• 内核必须提供一种方法，在各个进程之间尽可能地公平地共享CPU时间，而同时又要考虑不同的任务优先级。
• linux调度器的一个杰出特性是，它不需要时间片概念，至少不需要传统的时间片。而只考虑进程的等待时间，即进程在就绪队列中已经等待了多长时间。

内存管理

• 如果物理内存比可以映射到内核地址空间中的数量要多，那么内核必须借助高端内存方法来管理多余的内存

进程虚拟内存

• 每个应用程序都有自身的地址空间，与其他所有应用程序分隔开
• 在巨大的线性地址空间中，只有很少的段可用于各个用户空间进程
• 地址空间只有极小的一部分与物理内存页直接关联
• 无论当前哪个用户进程处于活动状态，虚拟地址空间内核部分的内容总是相同的
• 按需分配和填充页称之为按需调页法

锁与进程间通信

控制机制

• 几个进程在访问资源时彼此干扰的情况通常称之为竞态条件
• 只要没有其他进程进入临界区，那么在临界区中执行的进程完全是可以中断的
• 信号量只是受保护的特别变量，其初始值位1.down操作将值减1，变为0，如果发现信号量的值为0，则导致后面的进程在该信号量上睡眠。
• 虽然信号量初看起来容易实现，但其开销对内核来说过大。
• 如果处理器同时处于核心态，则理论上它们可以同时访问一个数据结构，这就刚好造成了竞态条件
• 内核使用了由锁组成细粒度网络，来明确地保护各个数据结构
• 原子操作 ，不中断地执行
• 自旋锁，用于短期保护某段代码，内核进入睡眠状态，直到被唤醒。在此期间会重复检查能够获取锁，而不会进入睡眠状态
• 信号量 等待释放信号量是，内核进入睡眠状态，直至被唤醒，直到被唤醒后，才重新尝试获取信号量。互斥量是信号量的特例。
• 读写锁。任意数目的处理器都可以对数据结构进行并发读访问，但只有一个处理器能进行写访问，在进行写访问时，读访问页无法进行。
• 自旋锁不应该长期持有
• 在单处理器系统上，自旋锁定义为空操作，因为不存在几个CPU同时进入临界区额情况，但如果启动了内核抢占，这种说法就不适用了。
• 信号量适合于保护更长的临界区。以防止并行访问
• RCU保护 read-copt-update

虚拟文件系统

• VFS的任务不简单，它用来提供一种操作文件，目录以及其他对象的统一方法，另一方面，它必须能够与各种方法给出的具体文件系统的实现达成妥协。
• 文件系统一般可以分为三种，基于磁盘的文件系统，虚拟文件系统，网络文件系统
• 对用户程序来说，一个文件由一个文件描述符标识
• 内核处理文件的关键是iNode
• 在硬连接建立事，创建的目录项使用了一个现存的inode编号
• 普通文件支持随机访问，但是命名管道，字符设备等文件不支持这种做法。

页缓存和块缓存

• 数据并非每次在修改后都立即写回，而是在一定的时间间隔之后才进行回写，时间间隔的长度取决于多种因素，如空闲物理内存的容量，物理内存中数据的利用率等等。
• 用于缓存的内存区不能分配和普通应用程序，这减少了实际可用的物理内存容量。
• slab是一个内存到内存的缓存，其目的不是加速对低速设备的操作，而是对现存资源进行更简单，更搞笑的使用。
• 何时回写？pdflush进程周期性激活；短期内快速增加；用户调用sync