第二章Linux内核分析

第二章Linux内核分析第一页，共26页。2.2Linux进程管理

操作系统的重要任务之一是管理计算机的软、硬件资源。因而操作系统最核心的概念就是进程：即正在运行的程序。进程是一个动态的实体，Linux的进程具有独立的权限与职责,它在生命期内将使用系统中的资源,Linux支持多种类型的可执行文件格式，如ELF，JAVA等。

2.2.1描述进程的数据结构

2.2.2进程调度

2.2.3创建进程

2.2.4进程通信机制2第二页，共26页。图2-2进程可运行度量函数流程图

根据进程的调度策略区分实时进程和普通进程若是实时进程，则考虑进程的实时优先级；若是普通进程，则只考虑counter返回weight作为衡量进程p的权值goodness()开始p->policy分类返回weight作为衡量依据

SCHED_OTHER

SCHED_FIFO

SCHED_RR

weight=p->counterweight=1000+rt_priority3第三页，共26页。图2-3进程的可运行队列task_struct

task_struct

idle_task

…………

4第四页，共26页。图2-4进程通信的结构图

系统调用接口FileIPCpipesfifoNetIPCDomainSocketsFileIPCSharedMemory

MessagesQueuesSemaphoresKernelIPCWaitQueues

Signals

Linux操作系统支持以下几种进程间通信的机制：信号（Signals）、管道（Pipe）和命名管道（NamedPipe）、SystemV的IPC机制（包括信号量（Semaphore）、消息队列机制（MessageQueuesMechanism）和共享内存（SharedMemory））、用于网络通信的套节字机制（SocketsMechanism）和全双工管道机制。5第五页，共26页。2.3Linux存储管理图2-5内存管理器之间的关系

内存管理子系统是操作系统的重要组成部分，它的主要任务是：高效地管理系统中的内存资源，提供对内存资源快速的分配和回收；提高内存的利用率，减少内存的浪费，充分发挥内存的作用。Linux将内存管理的工作划分开，实现了5个不同的内存管理器。它们分别是：

6第六页，共26页。

一．数据结构附：free_area数据结构

二．页分配

unsignedlong_get_free_pages(intgfp_mask,unsignedlongorder)

三．页释放

voidfree_pages(unsignedlongaddr,unsignedlongorder)

四．页回收

当物理内存短缺时，物理内存管理器必须尝试回收某些物理页，Linux创建了一个内核交换守护进程kswapd，专门负责物理页的回收，当然，页分配函数自己也会强行回收物理页，而且两者的方法也是一致的。2.3.1物理内存管理器7第七页，共26页。图2-6free_area数据结构8第八页，共26页。2.3.2内核内存管理器图2-7slab分配器的结构

内核在运行过程需要大量而频繁地使用内存。这些内存有以下特点：

1、因为是内核使用，因此不参与交换；2、使用时间一般都比较短；3、要求动态分配和回收；4、要求响应时间快，分配速度慢的管理器会导致整个系统性能的下降；5、尺寸一般都比较小，远远小于一页，如果直接使用物理内存管理器按页管理，其利用率会非常低。9第九页，共26页。图2-8高速缓存描述符与Slab描述符之间的关系10第十页，共26页。2.3.3虚拟内存管理器图2-9Linux虚拟内存的实现结构11第十一页，共26页。图2-10虚拟内存实现机制之间的关系12第十二页，共26页。图2-11Linux的三级页表结构13第十三页，共26页。图2-12虚拟内存区域及其操作集的结构14第十四页，共26页。空闲页面活跃页面不活跃且修改的页面不活跃且没修改的页面图2-13Linux的页面交换机制分配换出换出换入换入回收释放变为内存空间15第十五页，共26页。2.3.4Linux的高速缓冲机制

一．缓冲区高速缓冲（BufferCache）

二．页面高速缓冲（PageCache）

三．交换高速缓冲（SwapCache）

四．转换后援缓冲器（TLB）16第十六页，共26页。2.4Linux设备管理

2.4.1Linux设备管理结构字符设备块设备

驱动程序硬件设备控制器图2-14Linux设备管理层次图

用户程序

系统调用

文件系统

高速缓存

17第十七页，共26页。

2.4.2I/O控制方式

轮询方式、中断方式、直接内存访问（DMA）

2.4.3Linux设备驱动程序

2.4.4字符设备驱动程序

对于设备的描述可通过device_struct数据结构来实现，如下所示： structdevice_struct{ constchar*name；//设备驱动程序注册的设备名称 structfile_operations*fops；//设备的标准操作例程集，其中的操作例程由设 //备驱动程序定义，并分别完成指定的设备操作 }18第十八页，共26页。2.4.5块设备驱动程序在fs/block_dev.h中有如下定义： staticstruct{ constchar*name； structblock_device_operations*bdops；}blkdevs[MAX_BLKDEV]；19第十九页，共26页。图2-15块设备读写请求

blk_dev_structblk_devrequest_fricurrent_request……requestdevcmd……bhbhlailnextrequestdevcmd……bhbhlailnextbuffer_headb_devb_blocknr……b_rpeb_prev_freeb_requexl20第二十页，共26页。2.5Linux文件系统

2.5.1Linux文件系统概述

图2-16文件系统的结构

文件是数据的集合，文件系统不仅包含着文件中的数据而且还有文件系统的结构。文件系统负责在外存上管理文件，并把对文件的存取、共享和保护等手段提供给操作系统和用户。它不仅方便了用户使用，保证了文件的安全性，还可以大大地提高系统资源的利用率。21第二十一页，共26页。2.5.2虚拟文件系统VFS

图2-17Linux文件系统的层次结构VFS的功能：1、记录可用的文件系统的类型； 2、将设备同对应的文件系统联系起来； 3、处理一些面向文件的通用操作； 4、涉及到针对文件系统的操作时，VFS把他们映射到与控制文件、目录、以及inode相关的物理文件系统。22第二十二页，共26页。图2-18VFS与具体文件系统之间的关系示意图23第二十三页，共26页。2.5.3EXT2文件系统

EXT2(第二代扩展文件系统)由ReyCard设计，它是Linux界中设计最成功的文件系统，它很好地继承了Unix文件系统的主要特色，如普通文件的三级索引结构，目录文件的树型结构和把设备作为特别文件等。

Linux文件系统是一个逻辑的自包含的实体，它含有inode，目录和数据块。Linux将整个磁盘划分成若干分