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  • 2025-01-26

  • 发表了主题帖： 《Linux内核深度解析》--文件系统

            在Linux系统中，一切皆文件，除了通常所说的侠义的文件（文本文件和二进制文件）以外，目录、设备、套接字和管道等都是文件。         文件系统在不同的上下文中有不同的含义。         （1）在存储设备上组织文件的方法，包括数据结构和访问方法。         （2）按照某种文件系统类型格式化的一块存储介质。我们常说在某个目录下挂载或卸载文件系统，这里的文件系统就是这种意思。         （3）内核中负责管理和存储文件的模块，即文件系统模块。           Linux文件系统的架构如下图所示，分为用户空间、内核空间和硬件3个层面。           创建文件的使用方法：         创建不同类型的文件，需要使用不同的命令。          (1)普通文件:touch FILE,这条命令本来用来更新文件的访问时间和修改时间，如果文件不存在，创建文件。          (2)目录:mkdir DIRECTORY 。         (3)符号链接(也称为软链接):In-s TARGET LINK_NAME或In --symbolic TARGET LINK_NAME 。         (4)字符或块设备文件:mknod NAME TYPE(MAJOR MINOR) 。         参数TYPE:b表示带缓冲区的块设备文件，c表示带缓冲区的字符设备文件，u表示不带缓冲区的字符设备文件，p表示命名管道。          (5)命名管道:mkpipe NAME 。         (6)命令“In TARGET LINK_NAME”用来创建硬链接，给已经存在的文件增加新的名称，文件的索引节点有一个硬链接计数，如果文件有n个名称，那么硬链接计数是n。

  • 2025-01-22

  • 发表了主题帖： 《Linux内核深度解析》--内核互斥技术

            在内核中，可能出现多个进程(通过系统调用进入内核模式)访问同一个对象、进程和硬中断访问同一个对象、进程和软中断访问同一个对象、多个处理器访问同一个对象等现象，我们需要使用互斥技术，确保在给定的时刻只有一个主体可以进入临界区访问对象。          如果临界区的执行时间比较长或者可能睡眠，可以使用下面这些互斥技术。          (1)信号量，大多数情况下我们使用互斥信号量。          (2)读写信号量。          (3)互斥锁。          (4)实时互斥锁。          申请这些锁的时候，如果锁被其他进程占有，进程将会睡眠等待，代价很高。           如果临界区的执行时间很短，并且不会睡眠，那么使用上面的锁不太合适，因为进程切换的代价很高，可以使用下面这些互斥技术。          (1)原子变量。         (2)自旋锁。          (3)读写自旋锁，它是对自旋锁的改进，允许多个读者同时进入临界区。         (4)顺序锁，它是对读写自旋锁的改进，读者不会阻塞写者。          申请这些锁的时候，如果锁被其他进程占有，进程自旋等待(也称为忙等待)。          进程还可以使用下面的互斥技术。          (1)禁止内核抢占，防止被当前处理器上的其他进程抢占，实现和当前处理器上的其他进程互斥。          (2)禁止软中断，防止被当前处理器上的软中断抢占，实现和当前处理器上的软中断互斥。          (3)禁止硬中断，防止被当前处理器上的硬中断抢占，实现和当前处理器上的硬中断互斥。           在多处理器系统中，为了提高程序的性能，需要尽量减少处理器之间的互斥，使处理器可以最大限度地并行执行。从互斥信号量到读写信号量的改进，从自旋锁到读写自旋锁的改进，允许读者并行访问临界区，提高了并行性能，但是我们还可以进一步提高并行性能，使用下面这些避免使用锁的互斥技术。          (1)每处理器变量。         (2)每处理器计数器。          (3)内存屏障。          (4)读-复制更新(Read-Copy Update,RCU)。          (5)可睡眠RCU。          使用锁保护临界区，如果使用不当，可能出现死锁问题。内核里面的锁非常多。定位很难，为了方便定位死锁问题，内核提供了死锁检测工具lockdep。 

  • 2025-01-12

  • 发表了主题帖： 内核深度解析--中断

            软件通过中断号识别中断，每个中断号唯一对应一个中断源。 中断有以下4种类型。          (1)软件生成的中断(Software Generated Interrupt,SGI):中断号0~15,通常用来实现处理器间中断(Inter-Procesor Interrupt,IPI)。这种中断是由软件写分发器的软件生成中断寄存器(GICD_SGIR)生成的。          (2)私有外设中断(Private Peripheral Interrupt,PPI):中断号16~31。处理器私有的中断源，不同处理器的相同中断源没有关系，比如每个处理器的定时器。          (3)共享外设中断(Shared Peripheral Interrupt,SPI):中断号32~1020。这种中断可以被中断控制器转发到多个处理器。          (4)局部特定外设中断(Locality-specific Peripheral Interrupt,LPI):基于消息的中断。 GIC vI和GIC v2不支持LPI。          中断可以是边沿触发(edge-triggered),也可以是电平触发(level-triggered)。边沿触发是在电压变化的一瞬间触发，电压由高到低变化触发的中断称为下降沿触发，电压由低到高变化触发的中断称为上升沿触发。电平触发是在高电压或低电压保持的时间内触发， 低电压触发的中断称为低电平触发，高电压触发的中断称为高电平触发。          中断有以下4种状态。          (1)Inactive:中断源没有发送中断。         (2)Pending:中断源已经发送中断，等待处理器处理。         (3)Active:处理器已经确认中断，正在处理。          (4)Active and pending:处理器正在处理中断，相同的中断源又发送了一个中断。         中断的状态转换过程如下。          (1)Inactive->Pending:外围设备发送了中断。         (2)Pending->Active:处理器确认了中断。         (3)Active->Inactive:处理器处理完中断。            对于中断控制器的每个中断源，向中断域添加硬件中断号到Linux中断号的映射时， 内核分配一个Linux中断号和一个中断描述符irg_desc，中断描述符有两个层次的中断处理函数。          (1)第一层处理函数是中断描述符的成员handle_irq()。          (2)第二层处理函数是设备驱动程序注册的处理函数。中断描述符有一个中断处理链表(irq_desc.action)，每个中断处理描述符(irq_action)保存设备驱动程序注册的处理函数。因为多个设备可以共享同一个硬件中断号，所以中断处理链表可能挂载多个中断处理描述符。         怎么存储Linux中断号到中断描述符的映射关系？有两种实现方式。          (1)如果中断编号是稀疏的(即不连续)，那么使用基数树(radix tree)存储。需要开启配置宏CONFIG SPARSE IRQ。          (2)如果中断编号是连续的，那么使用数组存储。  kernel/irq/irqdesc.C #ifdef CONFIG_SPARSE_IRQ static RADIX_TREE(irg_desc_tree, GFP_KERNEL); #else struct irq_desc irq_desc[NR_IRQS] __cacheline_aligned_in_smp = { [0. ...NR_IRQS-1] = { .handle_irq = handle bad irq, .depth = 1, .lock = __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED(irq_desc->lock), } }; #endif         ARM64架构默认开启配置宏CONFIG_SPARSE_iRQ，使用基数树存储。

  • 2025-01-05

  • 发表了主题帖： 《Linux内核深度解析》--内存管理

            内存管理子系统的架构如下图所示，分为用户空间、内核空间和硬件3个层面：            1.用户空间         应用程序使用malloc()申请内存，使用free()释放内存。          malloc()和free()是glibc库的内存分配器ptmalloc提供的接口，ptmalloc使用系统调用brk或mmap向内核以页为单位申请内存，然后划分成小内存块分配给应用程序。          用户空间的内存分配器，除了glibc库的ptmalloc，还有谷歌公司的tcmalloc 和FreeBSqD 的jemalloc。          2.内核空间         (1)内核空间的基本功能。          虚拟内存管理负责从进程的虚拟地址空间分配虚拟页，sys_brk用来扩大或收缩堆，sys_mmap用来在内存映射区域分配虚拟页，sys_munmap用来释放虚拟页。          内核使用延迟分配物理内存的策略，进程第一次访问虚拟页的时候，触发页错误异常，页错误异常处理程序从页分配器申请物理页，在进程的页表中把虚拟页映射到物理页。          页分配器负责分配物理页，当前使用的页分配器是伙伴分配器。          内核空间提供了把页划分成小内存块分配的块分配器，提供分配内存的接口kmalloc() 和释放内存的接口kfree()，支持3种块分配器:SLAB分配器、SLUB分配器和SLOB 分配器。          在内核初始化的过程中，页分配器还没准备好，需要使用临时的引导内存分配器分配内存。          (2)内核空间的扩展功能。          不连续页分配器提供了分配内存的接口vmalloc和释放内存的接口vfree，在内存碎片化的时候，申请连续物理页的成功率很低，可以申请不连续的物理页，映射到连续的虚拟页，即虚拟地址连续而物理地址不连续。          每处理器内存分配器用来为每处理器变量分配内存。          连续内存分配器(Contiguous Memory Allocator,CMA)用来给驱动程序预留一段连续的内存，当驱动程序不用的时候，可以给进程使用；当驱动程序需要使用的时候，把进程占用的内存通过回收或迁移的方式让出来，给驱动程序使用。          内存控制组用来控制进程占用的内存资源。          当内存碎片化的时候，找不到连续的物理页，内存碎片整理(“memory compaction”的意译，直译为“内存紧缩”)通过迁移的方式得到连续的物理页。          在内存不足的时候，页回收负责回收物理页，对于没有后备存储设备支持的匿名页， 把数据换出到交换区，然后释放物理页；对于有后备存储设备支持的文件页，把数据写回存储设备，然后释放物理页。如果页回收失败，使用最后一招:内存耗尽杀手(OOM killer，Out-of-Memory killer),选择进程杀掉。          3.硬件层面         处理器包含一个称为内存管理单元(Memory Management Unit,MMU)的部件，负责把虚拟地址转换成物理地址。          内存管理单元包含一个称为页表缓存(Translation Lookaside Buffer,TLB)的部件， 保存最近使用过的页表映射，避免每次把虚拟地址转换成物理地址都需要查询内存中的页表。          为了解决处理器的执行速度和内存的访问速度不匹配的问题，在处理器和内存之间增加了缓存。缓存通常分为一级缓存和二级缓存，为了支持并行地取指令和取数据，一级缓存分为数据缓存和指令缓存。 

  • 2024-12-27

  • 发表了主题帖： 《Linux内核深度解析》--进程管理

            Linux内核把进程称为任务（task），进程的虚拟地址空间分为用户虚拟地址空间和内核虚拟地址空间，所有进程共享内核虚拟地址空间，每个进程有独立的用户虚拟地址空间。         进程有两种特殊形式：没有用户虚拟地址空间的进程成为内核线程，共享用户虚拟地址空间的进程称为用户线程，通常在不会引起混淆的情况下把用户线程简称为线程。共享同一个用户虚拟地址空间的所有用户线程组成一个线程组。 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------         在Linux内核中，新进程是从一个已经存在的进程复制出来的。内核使用静态数据构造出0号内核线程，0号内核线程分叉生成1号内核线程和2号内核线程（kthreadd线程）。1号内核线程完成初始化以后装载用户程序，变成1号进程，其他进程都是1号进程或者它的子孙进程分叉出来的；其他内核线程是kthreadd线程分叉生成的。         3个系统调用可以用来创建新的进程。         （1）fork（分叉）：子进程是父进程的一个副本，采用了写时复制的技术         （2）vfork：用于创建子进程，之后子进程立即调用execve以装载新程序的情况。为了避免复制物理页，父进程会睡眠等待子进程装载新程序。现在fork采用了写时复制的技术，vfork失去了速度优势，已经被废弃。         （3）clone（克隆）：可以精确地控制子进程和父进程共享哪些资源。这个系统调用的主要用处是可供pthread库用来创建线程。         clone是功能最齐全的函数，参数多，使用复杂，fork是clone的简化函数。（以下是_do_fork函数）    

  • 2024-12-22

  • 发表了主题帖： 《Linux内核深度解析》--内核引导和初始化

        处理器上电以后，首先执行引导程序，引导程序把内核加载到内存，然后执行内核，内核初始化完成以后，启动用户空间的第一个进程。     嵌入式设备通常使用NOR闪存作为只读存储器来存取引导程序。NOR闪存的容量比较小，最小读写单位是字节，程序可以直接在芯片上执行。从物理地址0取指令，也就是到NOR闪存的起始位置取指令。     嵌入式设备通常使用U_Boot作为引导程序。U_Boot（Universal Boot Loader）是德国DENX软件工程中心开发的引导程序，是遵循GPL条款的开源项目。     _start是U_Boot程序入口，直接跳转到标号reset执行，附上reset、_main及run_main_loop代码及注解，大家一起来学习哈：            

  • 2024-12-14

  • 发表了主题帖： 《Linux内核深度解析》之1--开箱

    开箱啦！感谢EEWORLD！ 废话多不说，直接上图：   接下来的几周时间我会和大家一起分享阅读心得体会，再来一张新书照  

  • 2024-12-11

  • 回复了主题帖： 读书入围名单： 《Linux内核深度解析》

    个人信息无误，确认可以完成阅读分享计划

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