[分享] Linux內(nèi)核

marquis

Linux系統(tǒng)大致可分為三層：
靠近硬件的底層是內(nèi)核，即Linux操作系統(tǒng)常駐內(nèi)存部分。
中間層是內(nèi)核之外的shell層，即操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序部分。
最高層是應用層，即用戶程序部分


Linux有兩種不同的含義
嚴格技術(shù)角度：指的時開放源代碼的Unix類操作系統(tǒng)的內(nèi)核
一般意義：指以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)，包括內(nèi)核、系統(tǒng)工具、完整的開發(fā)環(huán)境和應用


kernel時操作系統(tǒng)的核心程序，由幾個不同邏輯功能部分組成：
向外部提供對計算機設(shè)備的核心管理及調(diào)用，負責對計算機資源的抽象、分配和共享
代碼分為兩部分：
內(nèi)核所在的地址空間稱作內(nèi)核空間
其他應用程序稱為外部管理程序，大部分是對外圍設(shè)備進行管理和界面操作，外部管理程序和用戶進程所占據(jù)的地址空間成為外部空間


Unix內(nèi)核用C語言寫成
單一內(nèi)核：所有的操作系統(tǒng)功能均被封裝在內(nèi)核中，與外部程序處于不同的地址空間。外部程序智能通過功能調(diào)用來訪問內(nèi)核
微內(nèi)核：內(nèi)核只提供最基本、最核心的一部分操作，如創(chuàng)建和刪除任務(wù)、中斷管理、進程管理、存儲器管理、進程間通信等，而其他功能如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧則在內(nèi)核外操作。


微內(nèi)核特點：
使操作系統(tǒng)具有良好的靈活性
操作系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單清晰
程序代碼維護十分方便
體現(xiàn)了面向?qū)ο笫杰浖�的結(jié)構(gòu)特征


但是：Linux內(nèi)核采用單一內(nèi)核
原因：注重效率
Linux將代碼執(zhí)行效率作為操作系統(tǒng)第一要務(wù)
Linux內(nèi)核的程序員都是世界各地的黑客，比起結(jié)構(gòu)的清晰，更注重功能的強大和高效率的代碼
特點：每個功能部件不能輕易拆除


從結(jié)構(gòu)上看，Linux操作系統(tǒng)是采用單塊結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)。
一般說來，可以將操作系統(tǒng)劃分為內(nèi)核和系統(tǒng)程序兩部分。


進程控制系統(tǒng)用于進程管理、進程同步、進程通信、進程調(diào)度和內(nèi)存管理等。


●內(nèi)存管理控制內(nèi)存分配與回收。


●文件系統(tǒng)管理文件、分配文件空間、管理空閑空間、控制對文件的訪問并為用戶檢索數(shù)據(jù)。


●Linux系統(tǒng)支持三種類型的硬件設(shè)備：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。


●核心底層的硬件控制負責處理中斷以及與機器通信。

marquis

5.2  進 程 管 理
1．進程及其狀態(tài)
簡單說來，進程就是程序的一次執(zhí)行過程。
進程至少要有三種基本狀態(tài)。這三種基本狀態(tài)是：運行態(tài)、就緒態(tài)和封鎖態(tài)（或等待態(tài)）。
進程的狀態(tài)可依據(jù)一定的條件和原因而變化

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2013-5-20 22:30

運行狀態(tài)：指當前進程已分配CPOU，它是程序正在處理器上執(zhí)行的狀態(tài)。在一般單一CPU機制中，任何時刻處于運行狀態(tài)的進程至多只有一個。
就緒狀態(tài)：指進程已具備運行條件，但因為其他進程正占用CPU，所以暫時不能運行而等待分配CPU資源的狀態(tài)。處于該狀態(tài)的進程可以有多個。
封鎖狀態(tài)：只進程因等待某種事件發(fā)生（如等待某一輸入、輸出操作完成，等待其他進程發(fā)來的信號等）而暫時不能運行的狀體。處于封鎖狀態(tài)的進程尚不具備運行條件。也成為不可運行狀態(tài)或掛起狀態(tài)�？梢杂卸鄠�。

2．Linux進程狀態(tài)

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2013-5-20 22:35

3．進程的模式和類型
在Linux系統(tǒng)中，進程的執(zhí)行模式劃分為用戶模式和內(nèi)核模式
按照進程的功能和運行的程序來分，進程劃分為兩大類：一類是系統(tǒng)進程，另一類是用戶進程

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2013-5-20 22:36

4．Linux線程
Linux把線程定義為進程的“執(zhí)行上下文”
具有一段可執(zhí)行的程序、專用的系統(tǒng)堆棧空間、私有的“線程控制塊”（即thread_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）
缺少自己的存儲空間


5.2.2  進程的結(jié)構(gòu)
1．task_struct結(jié)構(gòu)
task_struct結(jié)構(gòu)包含下列幾方面的信息：
    ·進程狀態(tài)
    ·調(diào)度信息
    ·標志符（PID）
    ·內(nèi)部進程通訊(信號、管道、信號量等)
    ·鏈接信息（指向父進程、兄弟進程、子進程的指針）
    ·時間和計時器（記錄進程的創(chuàng)建時間和運行所占用的
                           CPU時間）
    ·文件系統(tǒng)
    ·虛擬內(nèi)存
    ·處理器信息

2．進程系統(tǒng)堆棧
每個進程都有一個系統(tǒng)堆棧，用來保存中斷現(xiàn)場信息和進程進入內(nèi)核模式后執(zhí)行子程序（函數(shù)）嵌套調(diào)用的返回現(xiàn)場信息。
每個進程的系統(tǒng)堆棧和task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間存在緊密聯(lián)系，因而二者物理存儲空間也連在一起
系統(tǒng)堆棧的大小靜態(tài)確定，用戶堆棧可在運行時動態(tài)擴展

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2013-5-20 22:37

5.2.3  對進程的操作
1．進程的創(chuàng)建
各個進程構(gòu)成了樹形的進程族系
內(nèi)核在引導并完成了基本的初始化以后，就有了系統(tǒng)的第一個進程（即初始化進程，實際上是內(nèi)核線程）。除此之外，所有其他的進程和內(nèi)核線程都由這個原始進程或其子孫進程所創(chuàng)建。
除初始化進程外，其他進程都是用系統(tǒng)調(diào)用fork( )和clone( )創(chuàng)建的。
fork( )是全部復制 ，而clone( ) 有選擇地復制

2．進程的等待
父進程可用系統(tǒng)調(diào)用wait3( )等待它的任一個子進程終止，也可以用系統(tǒng)調(diào)用wait4( )等待某個特定的子進程終止。

wait3( )算法如下：
（1）如果父進程沒有子進程，則出錯返回。
（2）如果發(fā)現(xiàn)有一個終止的子進程，則取出子進程的進程號，把子進程的CPU使用時間等加到父進程上，釋放子進程占用的task_struct和系統(tǒng)空間堆棧，以供新進程使用。
（3）如果發(fā)現(xiàn)有子進程，但都不處于終止態(tài)，則父進程睡眠，等待由相應的信號喚醒。

3．進程的終止
進程可使用系統(tǒng)調(diào)用exit( )終止自己
其實現(xiàn)算法如下：
（1）撤消所有的信號量。
（2）釋放其所有的資源，包括存儲空間、已打開的文件、工作目錄、信號處理表等。
（3）置進程狀態(tài)為“終止態(tài)”（TASK_ZOMBIE）。
（4）向它的父進程發(fā)送子進程終止的信號。
（5）執(zhí)行進程調(diào)度。

4．進程映像的更換
改換進程映像的工作很復雜，是由系統(tǒng)調(diào)用execve( )實現(xiàn)的，它用一個可執(zhí)行文件的副本來覆蓋該進程的內(nèi)存空間。

ELF可執(zhí)行文件格式示意圖

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2013-5-20 22:49

execve( )系統(tǒng)調(diào)用的基本算法如下：
（1）驗證文件的可執(zhí)行性，即用戶
        有權(quán)執(zhí)行它。
（2）讀文件頭，檢查它是一個可裝入模塊。
（3）釋放原有的內(nèi)存空間。
（4）按照可執(zhí)行文件的要求分配新的內(nèi)存空間，并裝入內(nèi)存

5.2.4  進程調(diào)度
進程調(diào)度機制主要涉及到調(diào)度方式、調(diào)度時機和調(diào)度策略
1．調(diào)度方式
基本上采用“搶占式優(yōu)先級”方式

2．調(diào)度策略——三種不同的調(diào)度策略
SCHED_FIFO——短實時進程，對時間性要求比較強
SCHED_RR——較長時間的實時進程，對應“時間片輪轉(zhuǎn)法”
SCHED_OTHER——交互式的分時進程，這類進程的優(yōu)先權(quán)取決于兩個因素：一個因素是進程剩余時間配額；另一個是進程的優(yōu)先數(shù)nice ——優(yōu)先數(shù)越小，其優(yōu)先級越高
后臺進程的優(yōu)先級低于任何交互（前臺）進程的優(yōu)先級

3．調(diào)度時機
（1）當前進程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用nanosleep( )或者pause( )，使自己進入睡眠狀態(tài)，主動讓出一段時間的CPU使用權(quán)。
（2）進程終止，永久地放棄對CPU的使用。
（3）在時鐘中斷處理程序執(zhí)行過程中，發(fā)現(xiàn)當前進程連續(xù)運行的時間過長。
（4）當喚醒一個睡眠進程時，發(fā)現(xiàn)被喚醒的進程比當前進程更有資格運行。
（5）一個進程通過執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用來改變調(diào)度策略或者降低自身的優(yōu)先權(quán)（如nice命令），從而引起立即調(diào)度。

marquis

5.2.5  shell基本工作原理
它不屬于內(nèi)核部分，而是在核心之外，以用戶態(tài)方式運行。其基本功能是解釋并執(zhí)行用戶打入的各種命令，實現(xiàn)用戶與Linux核心的接口。

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2013-5-20 23:15

后面是本章節(jié)的實例部分。請各位同學自己把代碼敲到計算機里面，并進行編譯、運行。
編譯的工具為計算機自帶的gcc工具

進程屬性
進程的組成元素
程序的當前上下文（context），它是程序當前執(zhí)行的狀態(tài)
程序的當前執(zhí)行目錄
程序訪問的文件和目錄
程序的信任狀態(tài)，或者叫做訪問權(quán)限
內(nèi)存和其他分配給進程的資源

進程標識號
進程的兩個知名屬性：進程號（Process ID, PID）和父進程號（Parent Process ID，PPID）
PID/PPID都為整數(shù)，唯一標識一個進程
所有的進程有個共同的祖先：pid=1的進程，即init進程

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2013-5-20 23:15

Real和effective標識號
進程的屬性

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2013-5-20 23:15

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2013-5-20 23:15

用戶和用戶組的信息
getlogin（）函數(shù)返回用戶的登錄名
getpwname()函數(shù)以上面的函數(shù)返回值為參數(shù)，從/etc/passwd文件中返回該登錄名的所有信息。
#include <unistd.h>
char *getlogin(void)
#include <pwd.h>
struct passwd *getpwnam(const char *name)

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2013-5-20 23:15

使用system創(chuàng)建進程
system函數(shù)原型如下：
#include <stdlib.h>
int system(const char *string)
它通過把system傳遞給/bin/sh –c來執(zhí)行 string所指定的命令，string中可以包含選項和參數(shù)，接著整個命令行（/bin/sh –c string）又傳遞給系統(tǒng)調(diào)用execve（隨后介紹）。如果沒有/bin/sh，system返回127，如果出現(xiàn)其他錯誤，則返回-1；如果至此那個成功則返回string的代碼

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2013-5-20 23:15

Fork系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建進程
fork調(diào)用創(chuàng)建一個新進程
語法：
#include <unistd.h>
pid_t  fork(void)
如果fork成功，就向父進程返回子進程的pid，并向子進程返回0.
fork創(chuàng)建的新進程是和父進程（出了pid和ppid）一樣的副本，包括真實有效的UID，GID，進程組和會話ID、環(huán)境、資源限制、打開的文件以及共享的進程段
父進程和子進程之間有一點區(qū)別。子進程沒有繼承父進程的超時設(shè)置（使用alarm調(diào)用）、父進程的文件鎖、或者未決信號。

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2013-5-20 23:15