【Linux】内核设计与实现教程
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【参考引用】
网站：www.kerneltravel.net
Linux内核设计与实现
目标
整体把握内核各个核心子系统
内容
系统提供什么样的服务？
为什么要提供这样的服务？
如何实现的？
下一步
侧重了解内核：研究《Understanding the Linux Kernel》与源码本身；
侧重于实际编程，研读《Linux Device Drivers》
第1章-Linux内核简介
1.1-操作系统和内核简介
操作系统
整个系统中，负责完成最基本功能和系统管理的部分。
包括：内核、设备驱动程序、启动引导程序、命令行shell或其他种类的用户界面、基本的文件管理工具和系统工具。
系统
包含操作系统和运行在它之上的应用程序。
内核
组成：
①中断服务程序：响应中断；
②调度程序：管理多个进程分享处理器时间；
③内存管理程序：管理进程地址空间；
④系统服务程序：网络、进程间通信等。
内核独立于普通应用程序，一般处于系统态，有受保护的内存空间和访问硬件设备的所有权限。
内核空间：系统态和受保护的内存空间。
用户空间：执行应用程序。只能看到允许他们使用的部分系统资源，且只使用某些特定的系统功能，不能直接访问硬件和内核划给别人的内存范围。
内核运行时，系统以内核态进入内核空间执行；
普通用户程序执行时，系统以用户态进入用户空间执行。
系统调用
应用程序通过系统调用与内核通信。
应用程序调用库函数（如C库函数），再由库函数通过系统调用让内核代其完成各种任务。—应用程序完成其工作的基本行为方式。
一个应用程序执行一条系统调用：
应用程序通过系统调用在内核空间运行；内核运行于进程上下文中。
管理系统硬件设备（中断机制）
硬件设备与系统通信：
①硬件发出一个异步中断信号：打断处理器执行，继而打断内核执行；
②内核通过中断号查找对应的中断服务程序，通过调用该程序处理中断。
中断上下文
与所有进程无关的、专门执行中断的环境。
保证中断服务程序能够在第一时间响应和处理中断请求，然后快速退出。
应用程序、内核、硬件的关系
内核/处理器活动范围：
①运行于用户空间，执行用户进程；
②运行于内核空间，处于进程上下文，代表某个特定的进程执行；
③运行于内核空间，处于中断上下文，处理某个特定的中断。
CPU空闲时，内核运行一个空进程，处于进程上下文，运行于内核空间。
1.2-Linux内核和传统Unix内核的比较
单内核
内核整体上作为一个单独的大过程来实现，运行在一个单独的地址空间上。
内核通常以单个静态二进制文件存放于磁盘。
所有内核都运行在内核态，且身处同一地址空间，所以，内核可以直接调用函数。
微内核
内核功能被划分为多个独立过程，每个过程为1个服务器，服务器一般运行在用户空间。
所有服务器保持独立且运行在各自的地址空间，不能直接调用函数，通过“消息传递”处理微内核通信。
系统采用了进程间通信（IPC）机制，因此，各个服务器之间通过IPC机制互通消息。
第3章-进程管理
3.1-进程
3.1.1进程
正在执行的程序以及相关资源的总称。包括代码、内存地址空间、数据段等。
可能存在：两个或多个不同的进程执行的是同一个程序。
两个及以上并存的进程可以共享打开的文件、地址空间等资源。
进程在创建它的时刻开始存活。
①系统调用fork()：通过复制现有进程（父进程）创建新进程（子进程）。
系统调用结束时，父进程恢复执行，子进程开始执行。
②创建新进程后，调用exec()，创建新的地址空间，并把新的程序载入其中。
③exit()，退出执行。终结进程并释放其占用资源。
④wait4()，父进程调用，查询子进程是否终结。使进程可以等待特定进程执行完毕。
进程退出执行后被设置为僵死状态，直到其父进程调用wait()为止。
3.1.3线程
进程中活动的对象。具备独立的程序计数器、进程栈和一组进程寄存器。
内核调度的对象是线程。
3.2-进程描述符及任务结构
3.2.5-进程上下文
进程中的代码执行
可执行程序代码从一个可执行文件载入到进程的地址空间执行。一般在用户空间。
陷入内核空间
当程序执行了系统调用，或触发了异常，即陷入内核空间。
此时，内核“代表进程执行”并处于进程上下文中。
一般内核退出时，程序恢复在用户空间会继续执行。
内核接口
系统调用和异常处理程序是对内核明确定义的接口。对内核的所有访问必须通过该接口。
3.2.6-进程家族树
所有进程都是PID为1的init进程的后代。
系统启动最后阶段，内核启动init进程。该进程读取系统的初始化脚本，并执行其他相关程序，最终完成系统启动的整个过程。
系统中每个进程必有一个父进程，拥有同一个父进程的所有进程被称为兄弟。
3.3-进程创建
- fork()函数
通过拷贝当前进程创建一个子进程。
子进程与父进程的区别：
①PID：每个进程唯一；
②PPID：父进程的进程号，子进程将其设置为被拷贝进程的PID；
③某些资源和统计量。 - exec()函数
读取可执行文件并将其载入地址空间开始运行。
3.3.1-写时拷贝
写时拷贝
实现fork()的一种可以推迟或免除拷贝数据的技术。此时，内核不复制整个进程地址空间，而是让父进程和子进程共享同一个拷贝。
数据只在需要写入时，才会被复制，使各个进程拥有各自的拷贝。在此之前，以只读方式共享。
3.3.2-fork()
3.4-线程在Linux中的实现
线程机制
提供了在同一程序内共享内存地址空间运行的一组线程。
Linux把线程视为一个与其他进程共享某些资源的进程。
3.5-进程终结
进程终结时，内核必须释放所占有的资源，并告知其父进程。