Linux 内核学习笔记（一）

目录

• 操作系统与kernel
• The kernel source tree
• linux kernel 代码的特点
• Process
• process creation
  • copy-on-write
  • forking
  • v-fork()
• thread
• termination

操作系统与kernel

操作系统包括内核、设备驱动、boot loader、命令shell、别的用户接口等。

典型的内核里面有：中断handle、scheduler to share processor time、a memory management system to manage process address spaces、system services such as networking and interprocess communication.

kernel space 和 user space 是不同的。kernel 有更高的权限完全控制硬件，同时占用特定的user不能访问的memory。

应用application与kernel之间仅仅且只能通过system call进行交流。

为了provide synchronization 内核可以禁用一个或多个中断。

在linux中，处理器在任何时刻都在做以下三个事情中的一个：

• 在user-space 执行代码in a process
• 在kernel-space，在process的语境下，执行特别的process；
• 在kernel-space，在interrupt语境下，不处理procee，但是处理interrupt。

The kernel source tree

可以在GitHub上可下载到。

linux kernel 代码的特点

• kernel不使用C library或者标准C header。（毕竟这些都是上层应用调用自己的库）
• kernel使用GNU C（内部内嵌了汇编和一些function）
• kernel自身没有memory protection；（如果user-application 突兀地进入了禁止内存去，kernel会生成错误提示设法去阻止，但是kernel自己进入了非法区域，谁能阻止他呢。所以说，kernel本身没有memory保护机制）
• kernel有一个小的pre-process的定长stack； （不要在kernel里面进行浮点运算，一般处理不太行）
• 因为外部的中断是异步中断，sysnchronization and concurrency（并发） are major concerns within the kernel;
  • （linux是多用户多进程的，多个用户同时访问共同的资源（这叫并发）时，需要进行同步，防止竞争races）
  • Linux is a preemptive （抢先的）multitasking operating system. Processes are scheduled and
    rescheduled at the whim of the kernel’s process scheduler.The kernel must syn-
    chronize between these tasks.
• portability is important.

Process

process（进程）是执行中的程序。有时又被成为task。

thread（线程）are the objects of activity within the process. Each thread includes a unique program counter,process stack ,and set of processor regiters. 对linux来说，a thread is just a special kind of process.

virtual processor: 给process一个假象，似乎它自己独自掌控processor，尽管可能有数百个进程process在同时工作；

virtual memory:让process划分和管理memory，似乎它自己拥有了all memory in the system.

使用fork（）来在当前的process中产生新的process。原有的成为parent，新的process成为child。fork（）函数这个system call返回两次。

The kernel stores the list of processes in a circular doubly linked list called the task list. Each element in the task list is a process descriptor of the type struct task_struct , which is defined in <linux/sched.h> . 所有的任务存放在task list里面。里面包含了process的一些描述一个process的所有information。 这也类似于一个指针array，指向实际需要执行的process代码处。

The system identifies processes by a unique process identification value or PID. （比如全局init（）的初始化PID代码为1）

每一个process都有一个parent，有0或者多个child，不同child之间成为sibling。这些亲戚关系（family tree家谱）都存放在process descriptor 里面了。所以也就可以通过程序的方式获得不同process之间的关系了。

process creation

• fork（）这也是system call。 fork出来的child除了PID（process ID）序号、特别的资源和数据（比如pending signal）不同外，其他的和parent是一模一样的；
• exec（） 在地址空间加载一个新的程序，然后开始执行。The exec call is a way to basically replace the entire current process with a new program. 大多数时候fork（）出来一个child紧接着就是执行exec（）函数。

copy-on-write

parent 产生一个child之后，不是把数据也统统拷贝一份给child（可能是几十G的数据），而是把地址提供给child。这期间如果这段数据需要被更改，那么就把这一部分需要更改的数据拷贝一份给child，防止parent那边被改动。也就是需要改动啥，拷贝啥，不需要修改的数据仅仅保留数据地址即可。这极大地提高了效率。

另外这也适用于不同sibling从parent继承的相同一段数据段。

A page table is the data structure used by a virtual memory system in a computer operating system to store the mapping between virtual addresses and physical addresses.

forking

fork（）是通过clone（）这个system call来实现的。

v-fork()

和fork（）类似，区别在于生成了child之后，parent被封锁，必须等待child执行exec（），或者exits。或者说v-fork（）有一点过时，它需要完全复制parent的memory，而不是采用先进的copy-on-write。

thread

thread其实就是一个和其他许多processes共享特定资源的process。thead仅仅在需要共享资源（比如地址空间）的时候出现。

kernel thread也就是仅仅存在于kernel space的thread。 kernel thread的地址空间是null，这是它的特殊之处。kernel thread 只能通过另一个kernel thread来生成。第一个kernel thread是boot的时候生成的。它主要完成两件工作：flush、ksoftirqd。

termination

一般process自己终止。通过exit（）system call来完成的。一个process结束之后，kernel释放它的资源，并且通知他的parent。之后将这个结束process的信息从process descriptor 里面清除干净。

有一个wait4（）的system call，类似于在中断来临时，等待暂停手头工作。

当一个parent程序先exit了，那么他的child就需要进行一个过程：reparent。为其找到新的parent。

参考：

https://stackoverflow.com/questions/4856255/the-difference-between-fork-vfork-exec-and-clone

本文作者：LT_Rock

本文链接：https://www.cnblogs.com/LT-Rock/p/13524756.html

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