(笔记)Linux内核学习(一)之内核介绍

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：

　　　　l 进程系统调用

　　　　l CPU异常

　　　　l 中断

　　　　l 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：

　　　　l 操作系统的基本抽象。

　　　　l 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。

　　　　l 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。

　　　　l 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：

　　　　l 程序计数器PC和栈指针SP寄存器

　　　　l 通用寄存器

　　　　l 浮点寄存器

　　　　l 包含CPU状态信息的处理控制寄存器

　　　　l 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

　　　　l 速度快

　　　　l 减少内存浪费

　　　　l 减轻内存碎片

　　　　l 与其他内存管理合作（页框）

　　　　l 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：

　　　　l 程序的可执行代码

　　　　l 程序的初始化数据

　　　　l 程序未初始化数据

　　　　l 初始化程序栈

　　　　l 所需共享库的可执行代码和数据

　　　　l 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。