linux内核

linux内核 

http://blog.chinaunix.net/uid-26611383-id-3422889.html

from: http://www.cnmaizi.com/tech/kernel/30-embedded-linux-kernel-develop-self-testing-topic/
如果你能正确回答以下问题并深刻理解相关知识点原理，那么你可以算得上合格的Linux内核开发工程师，尝试一下吧！

1)Linux中主要有哪几种内核锁？ 
2)Linux中的用户模式和内核模式是什么含意？
3)怎样申请大块内核内存？ 
4)用户进程间通信主要哪几种方式？ 
5)通过伙伴系统申请内核内存的函数有哪些？

6)通过slab分配器申请内核内存的函数有？ 
7)Linux的内核空间和用户空间是如何划分的（以32位系统为例）？ 
8)vmalloc()申请的内存有什么特点？ 
9)用户程序使用malloc()申请到的内存空间在什么范围？ 
10)在支持并使能MMU的系统中，Linux内核和用户程序分别运行在物理地址模式还是虚拟地址模式？

11)ARM处理器是通过几级也表进行存储空间映射的？ 
12)Linux是通过什么组件来实现支持多种文件系通的？ 
13)Linux虚拟文件系统的关键数据结构有哪些？（至少写出四个）
14)对文件或设备的操作函数保存在那个数据结构中？ 
15)Linux中的文件包括哪些？

16)创建进程的系统调用有那些？ 
17)调用schedule()进行进程切换的方式有几种？ 
18)Linux调度程序是根据进程的动态优先级还是静态优先级来调度进程的？ 
19)进程调度的核心数据结构是哪个？ 
20)如何加载、卸载一个模块？

21)模块和应用程序分别运行在什么空间？ 
22)Linux中的浮点运算由应用程序实现还是内核实现？ 
23)模块程序能否使用可链接的库函数？ 
24)TLB中缓存的是什么内容？ 
25)Linux中有哪几种设备？

26)字符设备驱动程序的关键数据结构是哪个？ 
27)设备驱动程序包括哪些功能函数？ 
28)如何唯一标识一个设备？ 
29)Linux通过什么方式实现系统调用？ 
30)Linux软中断和工作队列的作用是什么？

 

答案：

第一题：

Linux的同步机制从2.0到2.6以来不断发展完善。从最初的原子操作，到后来的信号量，从大内核锁到今天的自旋锁。这些同步机制的发展伴随Linux从单处理器到对称多处理器的过渡；
伴随着从非抢占内核到抢占内核的过度。Linux的锁机制越来越有效，也越来越复杂。
Linux的内核锁主要是自旋锁和信号量。
自旋锁【忙等待锁，"测试并置位"操作必须以原子方式进行，一般适用于多cpu之间，只能有 2 个值:"上锁"和"解锁".自旋锁可用在不能睡眠的代码中, 例如中断处理. 当正确地使用了, 通常自旋锁提供了比旗标更高的性能. 如果一个非抢占的单处理器系统进入一个锁上的自旋, 它将永远自旋; 没有其他的线程再能够获得 CPU 来释放这个锁. 因此, 自旋锁在没有打开抢占的单处理器系统上的操作被优化为什么不作】最多只能被一个可执行线程持有，如果一个执行线程试图请求一个已被争用（已经被持有）的自旋锁，那么这个线程就会一直进行忙循环——旋转——等待锁重新可用。要是锁未被争用，请求它的执行线程便能立刻得到它并且继续进行。自旋锁可以在任何时刻防止多于一个的执行线程同时进入临界区。

Linux中的信号量是一种睡眠锁。如果有一个任务试图获得一个已被持有的信号量时，信号量会将其推入等待队列，然后让其睡眠。这时处理器获得自由去执行其它代码。当持有信号量的进程将信号量释放后，在等待队列中的一个任务将被唤醒，从而便可以获得这个信号量。

信号量的睡眠特性，使得信号量适用于锁会被长时间持有的情况；只能在进程上下文中使用，因为中断上下文中是不能被调度的；另外当代码持有信号量时，不可以再持有自旋锁。

Linux 内核中的同步机制：原子操作、信号量、读写信号量和自旋锁的API，另外一些同步机制，包括大内核锁、读写锁、大读者锁、RCU (Read-Copy Update，顾名思义就是读-拷贝修改)，和顺序锁。

补充：
内核抢占（可抢占式内核）：
即当进程位于内核空间时，有一个更高优先级的任务出现时，如果当前内核允许抢占，则可以将当前任务挂起，执行优先级更高的进程。

抢占式内核的意义：
首先，这是将Linux应用于实时系统所必需的。实时系统对响应时间有严格的限定，当一个实时进程被实时设备的硬件中断唤醒后，它应在限定的时间内被调度 执行。而Linux不能满足这一要求，因为Linux的内核是不可抢占的，不能确定系统在内核中的停留时间。事实上当内核执行长的系统调用时，实时进程要 等到内核中运行的进程退出内核才能被调度，由此产生的响应延迟，在如今的硬件条件下，会长达100ms级。这对于那些要求高实时响应的系统是不能接受的。 而可抢占的内核不仅对Linux的实时应用至关重要，而且能解决Linux对多媒体(video, audio)等要求低延迟的应用支持不够好的缺陷。



第二题：
一、内核空间和用户空间
   Linux 简化了分段机制，使得虚拟地址与线性地址总是一致，因此，Linux的虚拟地址空间也为0～ 4G。Linux内核将这4G字节的空间分为两部分。将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为“内 核空间”。而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为“用户空间“）。因为每个进程可以通过系 统调用进入内核，因此，Linux内核由系统内的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间。

二、内核态和用户态
   当 一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核运行态（或简称为内核态）。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执 行。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户 态）。即此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核 态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。这与处于内核态的进程的状态有些类似。

 

三、进程上下文和中断上下文
   处理器总处于以下状态中的一种：

1、内核态，运行于进程上下文，内核代表进程运行于内核空间；

2、内核态，运行于中断上下文，内核代表硬件运行于内核空间；

3、用户态，运行于用户空间。

内核的一些特点：

无内存保护

 

当用户空间的应用程序尝试一个非法的内存访问时，内核可以捕捉到错误，发送SIGSEGV信号，杀掉进程，如果内核尝试一个非法的内存访问时，结果就不受控制了，因为谁也无法去控制内核，这也是内核最主要的失误。

 

此外，内核内存也是不可分页的，因此你消耗的每个内存字节都比物理内存的一个字节要少。

 

不能（容易）使用浮点数

 

当用户空间进程使用浮点指令时，内核要负责处理从整型到浮点模式的转换。

 

与用户空间不一样，内核不能无缝支持浮点数，因为它自己不能轻易地捕捉到自己，在内核中使用浮点数需要手动保存和恢复浮点数寄存器，因此除非却有必要，否则尽量不要在内核中做浮点运算。

 

小型，固定大小的堆栈

 

用户空间可以静态分配许多不同的堆栈，包括巨型结构和千元数组，这个行为是合法的，因为用户空间有很大的堆栈，并可以动态增长。

 

内核堆栈不大也不是动态的，相反，它很小且是固定的，内核堆栈的精确大小根据架构有所不同，在x86上，堆栈大小是在编译时确定的，一般是4KB或 8KB，历史上，内核堆栈有2页，通常表示它处于32位架构上，大小是8KB，如果是16KB就表示是64位架构，总之大小是固定的，每个进程接收它自己 的堆栈。

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如果是从事内核开发的话，所有引用的头文件均是来自内核本身，绝不可能使用用户空间的头文件，比如"glibc"（Linux标准C库），“lib

stdc++"（Linux标准C++库）等头文件的引用是不可能出现在内核程序中的。
《独辟蹊径品内核：Linux内核源代码导读》，李云华编著，电子工业出版社，2009年

 

 

http://bbs.chinaunix.net/thread-1930079-1-1.html

 

 

 

http://bbs.chinaunix.net/thread-1940276-1-1.html

1）LINUX KERNEL DEVELOPMENT, 2ND EDITION （LKD）（注：非常好的入门书籍）
2) LINUX DEVICE DRIVERS, 3RD EDITION  （LDD）（注：很好的实战书籍，对KERNEL HACKER一样有帮助）
3) UNDERSTANDING LINUX KERNEL. 3RD EDITION （ULK) （注：从硬件讲到上层，内容丰富，大观念清楚）