linux内核

系统调用

用户进程与内核进行交互的一组接口；

需要C库支持，通过使用C库定义的函数来访问系统调用

系统调用、中断、异常是访问内核的三种方式。

• 系统调用号：关联系统调用
• 系统调用的性能：

1. linux很短的上下文切换时间
2. 系统调用处理程序和每个系统调用都非常简洁

• 系统调用处理程序：用户空间的程序使用软中断来通知内核执行系统调用

通过exa寄存器传递系统调用号给内核；

给用户空间的返回值也通过寄存器传递（x86系统：存放在eax寄存器上）；

建立系统调用的好处：

• 系统调用创建容易且使用方便
• Linux系统调用性能很高
• 保证了系统的安全性和稳定性：用户程序不能直接操作内核地址空间。

系统调用和库函数的区别：

• 库函数是0-n个系统调用的封装
• 函数库调用是调用函数库中的一个程序，而系统调用是调用系统内核的一个服务
• 函数库调用属于过程调用，开销较小，系统调用需要有用户态和内核态之间的切换开销
• 库函数调用是在用户地址空间执行，而系统调用是在内核地址空间执行

问题：

• 围绕系统调用号来讲，包括系统预分配、再固化、注册到每个需要支持的体系结构、维护困难（只能在主内核树维护）、功能简单的话便是大材小用

内存管理

• 页：内核把物理页作为内存管理的基本单位

• 内存管理单元（MMU）：管理内存并把虚拟地址转换为物理地址的硬件，以页为单位进行处理。

• struct page:使用了大量的联合体union来保证struct page结构体足够小

• 区：Linux把系统的页划分成区，形成不同的内存池，这样可以根据用途进行分配。

  ZONE_DMA:DMA使用的页

  ZONE_NORMAL:正常可寻址的页

  ZONE_HIGHMEM:动态映射的页

• kmalloc()：返回在物理连续的一段以字节为单位的内核内存

• kfree()：与kmalloc()配对使用，避免内存泄漏

• vmalloc()：分配的内存虚拟地址连续，物理地址无需连续

  分配非连续的物理内存块，再“修正”页表，把内存映射到逻辑地址空间的连续区域中

• kmalloc和vmalloc

  大部分内核代码选用kmalloc分配内存的原因，主要出于性能考虑。

  ​ vmalloc为了把物理上不连续的页转换为虚拟地址空间上连续的页，必须专门建立页表项。并且，通过vmalloc获得的页必须一个一个进行映射，会导致比直接映射产生更大的TLB抖动。

• 内核常用的内存分配方式：使用某个低级页分配器或者kmalloc

• 当创建和撤销很多大的数据结构，可以建立slab高速缓存来提升性能

进程地址空间

用户空间中进程的内存，成为进程地址空间。

• 内存区域：

  • 代码段：可执行文件代码的内存映射
  • 数据段：可执行文件的已初始化的全局变量和静态变量
  • BSS段：未初始化的全局变量和静态变量
  • 堆：任何匿名的内存映射（如malloc分配的内存）
  • 栈：进程用户空间栈（进程内核栈独立存在并由内核维护）

• 内核同时使用了mmap（链式结构）和mm_rb（红黑树）来描述同一块内存区域，在可以同时遍历整个节点同时，保证了查找节点的效率

• 查找内存地址所对应的内存区域：

  1. 查看mmap_cache缓存
  2. 未命中时则选择搜索mm_rb红黑树结构，未找到则返回NULL

• linux使用三级页表完成地址转换（虚拟地址转换成物理地址）

• brk sbrk

定时器和时间管理

• 实际时间：开机后，内核初始化从RTC读取，放入到xtime变量中。系统读写 xtime 时用的就是顺序锁

• 定时器

  • 静态定时器：执行周期性的工作

    1. 更新系统运行时间

    2. 更新实际时间

    3. 检查当前进程是否用尽了自己的时间片，如果用尽，需要重新调度。

• 动态定时器

  动态创建的定时器，使用后销毁。一般在内核代码中使用的基本都是动态定时器

  1. HZ：

     节拍率(HZ)是时钟中断的频率，表示的一秒内时钟中断的次数。比如 HZ=100 表示一秒内触发100次时钟中断程序。

  2. jiffies

     jiffies用来记录自系统启动以来产生的总节拍数。比如系统启动了 N 秒，那么 jiffies就为 N×HZ

  3. 时间中断处理程序

     时钟中断处理程序作为系统定时器而注册到内核中，体系结构的不同，可能时钟中断处理程序中处理的内容不同

• 定时器执行流程

  定义：定时器在内核中用一个链表来保存的，链表的每个节点都是一个定时器

  生命周期：

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