第二章 Linux内核分析

Linux文件系统是一个逻辑的自包含的实体，它含有inode，目 录和数据块。Linux将整个磁盘划分成若干分区，每个分区被当做独
立的设备对待；一般需要一个主分区Native和一个交换分区swap.。
主分区用于存放文件系统，交换分区用于虚拟内存，如图2-19所示:
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图2-20
EXT2文件系统的物理分布
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图2-5 内存管理器之间的关系
2.3.1 一．数据结构
物理内存管理器
附：free_area 数据结构
二．页分配
unsigned long_ get_free_pages(int gfp_mask,unsigned long order)
三．页释放
void free_pages(unsigned long addr,unsigned long order)
⑦
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图2-11
Linux的三级页表结构
线性地址
global dir
middle dir 页中间 目录
table 页表
offset 页
页全局 目录
cr3
+
+
+
+
cr3:cpu的控制寄存器
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图2-12 虚拟内存区域及其操作集的结构
vm_area_struct vm_end vm_start vm_flags vm_inode vm_ops …… vm_next 虚拟内存 操作集 open() close() nopage() 虚拟内存区域


三．交换高速缓冲（Swap Cache）
四．转换后援缓冲器（TLB）
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2.4
Linux设备管理
字 符 设 备
块 设 硬 件 设 备 控 制 器
2.4.1 Linux设备管理结构
用户 程序 系统 调用 文件 系统 驱 动 程 序
高速 缓存
备
图2-14 Linux设备管理层次图
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2.5 2.5.1
Linux文件系统
Linux 文件系统概述
文件是数据的集合，文件系统不仅包含着文件中的数据 而且还有文件系统的结构。文件系统负责在外存上管理文件， 并把对文件的存取、共享和保护等手段提供给操作系统和用 户。它不仅方便了用户使用，保证了文件的安全性，还可以 大大地提高系统资源的利用率。
slab描述符
slab描述符
slab描述符 Full slab Partially full slab Empty
mmap 系统调用接口 mremap mmap filemap
Page_io swapfile
Swap_state swap
swap kswapd
2.4.2
I/O控制方式
轮询方式、中断方式、直接内存访问（DMA）
2.4.3 2.4.4
Linux设备驱动程序 字符设备驱动程序
对于设备的描述可通过device_struct数据结构来实现，
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如下所示： struct device_struct { const char *name； // 设备驱动程序注册的设备名称 struct file_operations *fops； // 设备的标准操作例程集，其中 的操作例程由设 // 备驱动程序定义，并分别完成指定的设备操作 }
File IPC fifo pipes
Messages Queues
系统调用 接口
Net IPC Domain Sockets File IPC
Semaphores
Shared Memory
Kernel IPC
5
Wait Queues
Signals
2.3
Linux存储管理
内存管理子系统是操作系统的重要组成部分，它的主要 任务是：高效地管理系统中的内存资源，提供对内存资源快 速的分配和回收；提高内存的利用率，减少内存的浪费，充 分发挥内存的作用。Linux将内存管理的工作划分开，实现了 5个不同的内存管理器。它们分别是：

2.4.5
块设备驱动程序
在fs/block_dev.h中有如下定义： static struct { const char *name ；
struct block_device_operations *bdops ；
} blkdevs[MAX_BLKDEV]；
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图2-15
blk_dev_struct blk_dev
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图2-16 文件系统的结构
2.5.2
虚拟文件系统VFS
VFS的功能： 1、记录可用的文件系统的类型； 2、将设备同对应的文件系统联系起来； 3、处理一些面向文件的通用操作； 4、涉及到针对文件系统的操作时，VFS把他们映射到与 控制文件、目录、以及inode相关的物理文件系统。
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图2-17 Linux文件系统的层次结构
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图2-1
Linux内核五个子系统间的关系
2.2
Linux进程管理
操作系统的重要任务之一是管理计算机的软、硬件资
源。因而操作系统最核心的概念就是进程：即正在运行的
程序。进程是一个动态的实体， Linux 的进程具有独立的 权限与职责 , 它在生命期内将使用系统中的资源 ,Linux 支
持多种类型的可执行文件格式，如ELF，JAVA等。
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图2-7 slab分配器的结构
图2-8 高速缓存描述符与Slab描述符之间的关系
高速缓存描述符
高速缓存描述符
高速缓存描述符
slab描述符
slab描述符
slab描述符
slab描述符
slab描述符 s_nextp s_prevp c_nextp c_freep c_firstp c_lastp

2.2.1 描述进程的数据结构
2.2.2 进程调度
2.2.3 创建进程
2
2.2.4 进程通信机制
图2-2
进程可运行度量函数流程图
goodness() 开始
根据进程的调度 策略区分实时进 程和普通进程
p->policy 分类
若是实时进程， 则考虑进程的实 时优先级；若是 普通进程，则只 考虑counter
主分区内的空间又分成若干个组。每个组内都包含有一 个超级块的拷贝，以及inode和数据块等信息。EXT2文件系 统的布局如图2-20所示：
引导块
块组0
块组1
……
块组n
超级块
组描述符
块位图
索引节点位图
索引节点表
数据区
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2.5.4
Linux的几个重要文件系统


一． /proc文件系统 二． 设备特殊文件
块设备读写请求
request dev cmd
request dev cmd …… bh bhlail next buffer_head b_dev b_blocknr …… b_rpe b_prev_free b_requexl
request_fri current_request … …
…… bh bhlail next
进程的虚拟内存
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图2-13
Linux的页面交换机制
回收
内 存 空
空闲页面 换入 分配
不活跃且没修改的页面
换出 换出
变为
间
活跃页面 换入 释放 不活跃且修改的页面
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2.3.4
Linux的高速缓冲机制


一．缓冲区高速缓冲（Buffer Cache）
二．页面高速缓冲（Page Cache）

四．页回收
当物理内存短缺时，物理内存管理器必须尝试回收某些物理页， Linux创建了一个内核交换守护进程kswapd，专门负责物理页的回收， 当然，页分配函数自己也会强行回收物理页，而且两者的方法也是一致 的。
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图2-6
free_area 数据结构
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2.3.2 内核内存管理器
内核在运行过程需要大量而频繁地使用内存。这些内存有以下特 点： 1、因为是内核使用，因此不参与交换；2、使用时间一般都比较 短；3、要求动态分配和回收；4、要求响应时间快，分配速度慢的管 理器会导致整个系统性能的下降；5、尺寸一般都比较小，远远小于一 页，如果直接使用物理内存管理器按页管理，其利用率会非常低。
Page_alloc memory
core
图示符号 依赖 模块 源程序文件 守护进程
结构特定的模块
。。。。。。 。 。 。 。 CMMU 。 。 。 。。。。。。。
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图2-9 Linux虚拟内存的实现结构
图2-10 虚拟内存实现机制之间的关系
内存的分配和回收 ⑤ ② ④ 请页 ① 地址映射 ⑧ 缓存和刷新机制 ③ ⑥ 交换机制
第二章
Linux内核分析
2.1
Linux内核结构概述
内存管理 硬件无关 硬件相关
Linux内核主要由五个子系统组成：进程调度、内存管理、虚拟 文件系统，网络接口、进程间通信。内存管理与其它子模块的关系如 图2-1所示：
虚拟文件系统 进程调度 逻辑文件系统 硬件驱动程序 网络 网络协议 硬件驱动程序 图示符号 子系统 子系统层 依赖关系 进程间通信
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图2-4
进程通信的结构图
Linux操作系统支持以下几种进程间通信的机制：信号（Signals）、 管道（Pipe）和命名管道（Named Pipe）、System V的IPC机制（包括信 号量（Semaphore）、消息队列机制（Message Queues Mechanism）和共 享内存（ Shared Memory ））、用于网络通信的套节字机制（ Sockets Mechanism）和全双工管道机制。