Linux内核学习：详解内核的工作原理与关系

作者:课课家教育更新于： 2016-02-03 10:44:02

　　内核与操作系统：

　　内核是操作系统的核心部分，包含了系统运行的核心过程，决定系统的性能，操作系统启动内核被装入到RAM中;

　　操作系统与底层硬件设备交互和为运行应用程序提供执行环境。

　　Linux内核与微内核比较：

　　微内核：内核只需要一个很小的函数集，通常包括几个同步原语，一个简单的调度程序和进程间通信机制。

　　运行在微内核之上的几个系统进程实现系统级功能：内存分配，设备驱动程序……完全的模块化进程。任何操作

　　系统层都是独立的程序模块，通过模块化的方法定义明确清晰的软件接口与其它层交互。内核中暂且不需要执行

　　的系统进程可以被调出或者撤销。微内核便于移植和充分利用RAM，但开销大效率是个问题。

　　宏内核：Linux内核：单块结构。内核的全部代码，包括所有子系统(如内存管理、文件系统、设备驱动程序)

　　都打包到一个文件中。内核中的每个函数都可以访问内核中所有其他部分。模块特性依赖于内核与用户层之间设计

　　精巧的通信方法，这使得模块的热插拔和动态装载得以实现。

　　每个内核层都被继承到整个内核程序中，并代表着当前进程在内核态下运行。

　　模块化(非进程)——允许在运行状态下动态的安装。模块是一个目标文件，其代码在运行时链接到内核或从内核解除链接。

　　目标代码通常是一组函数组成，用来实现文件系统，驱动程序……这些模块与其他静态链接内核函数一样，代表着当前进程

　　在内核态下执行，直接函数调用避免进程切换消息传递的开销，效率可能更高。

　　Linux用户程序两种状态：

　　用户态和内核态;用户态切换到内核态：

　　 进程系统调用

　　 CPU异常

　　 中断

　　 内核线程被执行

　　多用户系统：

　　能并发执行和独立的执行多个用户的应用程序，各个用户拥有独立空间。用户组，Root用户。

　　Linux进程：

　　进程Process：

　　 操作系统的基本抽象。

　　 进程是程序执行时的一个实例;一个运行程序的执行上下文。

　　 几个进程能并发的执行同一个程序;而同一个进程能顺序执行几个程序。

　　 具有独立的地址空间;多个进程可以同时执行。

　　进程受内核管理;每个进程由一个进程描述符表示，包含进程当前的状态信息。

　　当内核暂停一个进程的执行时，就把几个相关处理器寄存器的内容保存在进程描述符中。这些寄存器包括：

　　 程序计数器PC和栈指针SP寄存器

　　 通用寄存器

　　 浮点寄存器

　　 包含CPU状态信息的处理控制寄存器

　　 跟踪进程对RAM访问的内存管理寄存器

　　当内核恢复执行进程时：将进程描述符中合适字段来装在CPU寄存器，根据程序计数器指向恢复到程序执行的地方。

　　Linux重入内核：

　　内核可重入：

　　可重入函数：使用局部变量

　　实现同步机制：信号量、锁、关中断

　　进程执行状态切换: 进程在用户态与内核态的转换，Linux是抢占式内核

　　进程地址空间：每个进程运行在似有地址空间

　　同步和临界区：内核数据操作访问。

　　进程间通信IPC：信号量、消息队列、共享内存

　　进程管理：fork与_exit,exec()，子进程与父进程

　　Linux文件系统：

　　文件系统是对存储设备上的数据和元数据进行组织的机制，以树形结构组织。

　　文件类型：

　　不同文件

　　目录

　　符号链接

　　面向块得设备文件 (设备驱动相关)

　　面向字符的设备文件 (设备驱动相关)

　　管道(pipe)和命名管道(named pipe)(进程间通信相关)

　　套接字(socket) (进程间通信相关)

　　文件访问权限和访问模式

　　文件描述符和索引节点：记录文件的信息数据。

　　文件操作的系统调用：open、read、write……

　　内存管理：

　　虚拟内存：处于应用程序内存请求与硬件内存单元之间的逻辑层。

　　随即访问存储器RAM：一部分用于内核映像，其余虚拟内存处理

　　内核内存分配器：KMA 处理内存请求子系统

　　 速度快

　　 减少内存浪费

　　 减轻内存碎片

　　 与其他内存管理合作(页框)

　　 内存分配算法

　　进程虚拟空间地址处理：内核分配给进程的虚拟地址空间由以下内存区组成：

　　 程序的可执行代码

　　 程序的初始化数据

　　 程序未初始化数据

　　 初始化程序栈

　　 所需共享库的可执行代码和数据

　　 程序动态请求的内存堆

　　高速缓存：

　　设备驱动程序：

　　内核通过设备驱动程序与I/O设备交互，设备驱动程序在内核中，用户程序通过内核访问设备。