Linux内核简介

  • Unix从一个失败的多用户操作系统Multics中衍生来的。
  • Unix强大的原因：
    • 简洁
    • 几乎所有的东西都被当做文件来对待，可以通过相同的系统调用接口来进行调用。
    • 因为它是由c语言编写，所以具有强大的移植能力
    • 进程创建迅速，且拥有独特的fork()系统调用
    • 具备清晰的层次化
  • Unix操作系统多样的功能：
    • 抢占式多任务
    • 多线程
    • 虚拟内存
    • 换页
    • 动态链接
    • TCP/IP网络
  • Linux是类Unix系统，但它不是Unix。
  • Linux内核是自由软件。

操作系统和内核简介

  • 内核是操作系统的内在核心，有时候其被称为管理者或者是操作系统核心。
  • 应用程序通过系统调用与内核通信。
  • 内核可以通过中断号查找相应的中断服务程序，并调用这个程序响应和处理中断。
  • 每个处理器在任何指定时间点上的活动必然概括为下列三者之一：
    • 运行于用户空间，执行用户进程
    • 运行于内核空间，处于进程上下文，代表某个特定的进程执行。
    • 运行于内核空间，处于中断上下文，与任何进程无关，处理某个特定的中断。

Linux内核和传统Unix内核的比较

  • Unix内核通常需要硬件系统提供页机制(MMU)以管理内存。
  • 操作系统内核的两大阵营：单内核和微内核
    • 单内核：内核从整体上作为一个单独的大过程来实现，同时也运行在一个单独的地址空间上运行。内核可以直接调用函数。大多数的Unix系统设计为单模块。
      • 简单
      • 性能高
    • 微内核：其的功能被划分为多个独立的过程，每个过程叫做一个服务器。所有的服务器都保持独立并运行在各自的地址空间上，通过消息传递处理内核通信——IPC机制（进程间通信机制），消息传递需要一定的周期。
  • Linux是一个单内核，即Linx内核运行在单独的内核地址空间上。
  • Linux内核与传统的Unix系统之间存在一些显著的差异：
    • Linux支持动态加载内核模块
    • Linux支持对称多处理机制（SMP机制）
    • Linux内核可以抢占
    • Linux对线程支持的实现比较有意思
    • Linux提供具有设备类的面向对象的设备模型、热插拔时间，以及用户控件的设备文件系统
    • Linux忽略了一些拙劣的Unix特性
    • Linux体现了自由。

Linux内核版本

  • 主版本号.从版本号.修订版本号.稳定版本号

从内核出发

  • 使用Git获取Linux版本中的一种版本

    git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git

  • 更新版本

    git pull
  • 安装内核源代码
    • 若为bzip2的压缩形式:tar xvjf linux-x.y.z.tar.bz2
    • GNU的zip:tar xvzf linux-x..y.z.tar.gz

  • 使用补丁：patch -pl< ../patch-x.y.z

  • 内核的配置与安装通过Makefile与config所定。

 

 

第五章 系统调用

一、与内核通信

系统调用在用户控件进程和硬件设备之间添加了一个中间层，作用如下“

  • 为用户空间提供了一种硬件的抽象接口
  • 系统调用保证了系统的稳定和安全
  • 每个进程都运行在虚拟系统中，而在用户控件和系统的其余部分提供这样一层公共接口

在Linux中，系统调用是用户控件访问内核的唯一手段；除异常和陷入外，他们是内核唯一的合法入口。

※系统调用与API的不同在于运行级别的切换。

二、API、POSIX和C库

POSIX、API、C库和系统调用之间的关系如下图：
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POSIX-Unix世界中最流行的应用编程接口是给予POSIX标准的。
Linux的系统调用作为C库的一部分提供。
C库实现了Unix系统的主要API，包括标准C库函数和系统调用接口，即POSIXdM大部分API。

Unix的接口设计——“提供机制而不是策略”

三、系统调用

系统调用- syscall
通常通过C库中定义的函数调用来进行系统调用。
几种常见机制：

- 通过返回一个long型的返回值来表示成功或者错误
- 用一个负的返回值来表明错误
- 返回0代表成功
- 系统调用出现错误的时候会把错误码写入errno全局变量
- 通过perror()库函数可以把该变量翻译成用户可以理解的错误字符串

定义系统调用：

例：asmlinkage long sys_getpid(void)

1. asmlingkage，这是一个编译指令，通知编译器仅从栈中提取该函数的参数。所有的系统调用都需要这个限定词。
2. 返回值long。
    为了保证32位和64位系统的兼容，系统调用在用户空间返回值int，内核空间long
3. 命名规则：sys_xxx

1.系统调用号

每个系统调用号独一无二，一旦分配就不能再有任何变更。
执行系统调用时，通过系统调用号指明，进程不会提及系统调用的名称。
未实现系统调用——sys_ni_syscall()，返回-ENOSYS，针对无用的系统调用。

2.系统调用的性能——执行速度快

原因？

  • 上下文切换时间短
  • 系统调用处理程序和每个系统调用本身都很简洁

四、系统调用处理程序

因为用户控件不能直接执行内核代码，需要切换内核态，它需要用某种方式告知内核，自己需要执行一个系统调用，请求切换到内核态，这个通知内核的机制是软中断。
——通过引发一个异常来促使系统切换到内核态中去执行异常处理程序，即系统调用处理程序system_call()。
中断号128，指令如下：

int 128
或者
int 0x80

退出是iret

※新指令sysenter，比int中断指令更快更专业。

1.指定恰当的系统调用

2.参数调用

这两节讲述的内容在视频中亦有体现，不在此重复。
新知识点：
system_call()函数通过将给定的系统调用号与NR_syscalls作比较来检查其有效性。大于等于返回-ENOSYS，否则执行相应系统调用：

call *sys_call_table(,%rax,8)

过程：
int 0x80 → 中断向量表中找到对应中断向量 →系统调用表，

JMP(EAX*4 + system_xxx)

乘以4是因为系统调用表中的表象是以64位存放的。
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五、系统调用的实现

1.实现系统调用

  • 决定它的用途
    不提倡采用多用途的系统调用
  • 确定参数、返回值、错误码
    力求简洁
  • 越通用越好，不做错误假设

  • 时刻注意可移植性和健壮性

    2.参数验证

    必须检查每个参数，保证他们不但合法有效，而且正确。
    最重要——检查用户提供的指针：

    • 指针指向的内存区域必须属于用户空间
    • 指针指向的内存区域在进程的地址空间内
    • 决不能绕过内存访问限制
      内核无论何时都不能轻率地接受来自用户空间的指针。

※1.检查读写
（1）向用户空间写入数据——copy_to_user()
参数：

进程空间中的目的内存地址
内核空间内的源地址
需要拷贝的数据长度

（2）从用户控件读取数据——copy_from_user()
把第二个参数指定的位置上的数据拷贝到第一个参数指定的位置上
第三个参数——拷贝数据长度。

以上两个函数成功返回0，失败返回没能完成拷贝的数据的字节数。
这两个函数都有可能引起阻塞——当包含用户数据的页被换出到硬盘上而不是物理内存上的时候。

※2.检查是否有合法权限
老版本：suser()
新版本：权能机制，capable()，返回非0有权操作，返回0则无权操作。

六、系统调用上下文

内核在执行系统调用时处于进程上下文。
在进程上下文中，内核可以：

  • 休眠
    说明系统调用可以使用内核提供的绝大部分功能
  • 可以被抢占
    要求保证该系统调用是可重入的

1.绑定一个系统调用的最后步骤

1，在系统调用表的最后加入一个表项。
2，对于所支持的各种体系结构，系统调用号都必须定义于<asm/unistd.h>中
3，系统调用必须被编译进内核映像，不能被编译成模块。——放进kernel/下的一个相关文件中即可，例如sys.c。

2.从用户空间访问系统调用

Linux本身提供了一组宏，用于直接对系统调用进行访问。

_syscalln()     //n的范围从0到6，代表需要传递给系统调用的参数个数。

例如：

long open(const char *filename, int flags, int mode)
=
#define NR_open 5
_syscall3(long, open,const char*, filename, int, flags, int, mode)
应用程序可以直接用open()了。

对于每个宏来说，都有（2+2xn）个参数：

1.系统调用的返回值类型
2.系统调用的名称
以后按照系统调用参数的顺序排列每个参数的类型和名称。

_NR_open在<asm/unistd.h>中定义。
这个宏会被扩展成为内嵌汇编的C函数。

3.为什么不通过系统调用的方式实现

好处：

- 系统调用创建容易并且使用方便
- linux系统调用的高性能

问题：

- 占用系统调用号
- 固化，不允许改动接口
- 需要分别注册到每个需要支持的体系结构中
- 脚本中不易调用，文件系统中也不能直接访问
- 在主内核树外难以维护使用
- ……

替代：

- 某些接口，例如信号量，用文件描述符表示
- 把增加的信息作为一个文件放在sysfs的合适位置。

总而言之——
Linux尽量避免每出现一种新的抽象就简单地加入一个新的系统调用。