Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)讀書筆記

1、Linux 內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第二章Linux 內(nèi)核讀書筆記(1) 1-71 內(nèi)核開發(fā)特點(diǎn)1）內(nèi)核編譯時(shí)不能訪問C 庫；2）浮點(diǎn)數(shù)很難使用；3）內(nèi)核只有一個(gè)定長堆棧；4）注意同步和并發(fā)。第三章進(jìn)程管理1 current 宏：查找當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程的進(jìn)程描述符。2 進(jìn)程狀態(tài)（ 5種）TASK_RUNNING： 1）正在運(yùn)行；2）在運(yùn)行隊(duì)列中等待執(zhí)行。TASK_INTERRUPTIBLE：進(jìn)程正在睡眠，可以被信號(hào)喚醒。TASK_UNINTERRUPTIBLE：進(jìn)程正在睡眠，不會(huì)收到信號(hào)被喚醒。TASK_ZOMBIE：僵死態(tài)，進(jìn)程已經(jīng)結(jié)束，父進(jìn)程未使用wait4() 。TASK_STOPPED3 進(jìn)程上下文進(jìn)

2、程進(jìn)入內(nèi)核空間時(shí)，current 宏依然有效，內(nèi)核“代表進(jìn)程執(zhí)行 ”。4 進(jìn)程創(chuàng)建1） fork() ：拷貝當(dāng)前進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。2） exec()：讀取可執(zhí)行文件并載入地址空間開始運(yùn)行。3）寫時(shí)拷貝（copy-on-wrtie ）：推遲數(shù)據(jù)拷貝，在需要寫入數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)才會(huì)被復(fù)制。4） vfork() ：不拷貝父進(jìn)程的頁表項(xiàng)，子進(jìn)程作為父進(jìn)程的一個(gè)線程在它的地址空間運(yùn)行，父進(jìn)程被阻塞直至子進(jìn)程退出，子進(jìn)程不能向地址塊空間寫入數(shù)據(jù)。5 線程Linux 把所有的線程都當(dāng)作進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)。6 內(nèi)核線程： 獨(dú)立運(yùn)行在內(nèi)核中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程。 內(nèi)核線程沒有獨(dú)立的地址空間， 只能在內(nèi)核空間中運(yùn)行，創(chuàng)建內(nèi)核線程用

3、kernel_thread() 。7 進(jìn)程終結(jié)1）釋放資源；2）進(jìn)入 TASK_ZOMBIE ；3）等待 wait4() 。第四章進(jìn)程調(diào)度1 多任務(wù)系統(tǒng)非搶占式多任務(wù)：主動(dòng)讓步搶占式多任務(wù)（ preemptive ）：時(shí)間片2 進(jìn)程IO 消耗型：常常阻塞處理器消耗型：執(zhí)行代碼3 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度方法允許調(diào)度程序根據(jù)需要加減優(yōu)先級(jí)。兩組優(yōu)先級(jí)范圍：1） nice 值： -20至 +19，默認(rèn)值為 0， nice 值越大，優(yōu)先級(jí)越低。2）實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)：0至99，任何實(shí)時(shí)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)都高于普通進(jìn)程。4 時(shí)間片默認(rèn)時(shí)間片為 20ms。進(jìn)程時(shí)間片用完 進(jìn)程到期 所有進(jìn)程都到期 重新計(jì)算時(shí)間片5 可執(zhí)行列隊(duì)（

4、runqueue）：每個(gè)處理器一個(gè)的可執(zhí)行進(jìn)程鏈表，還包含每個(gè)處理器的調(diào)度信息。cpu_rq(processor)：返回給定處理器的可執(zhí)行隊(duì)列指針。this_rq() ：返回當(dāng)前處理器的可執(zhí)行隊(duì)列。task_rq(task)：返回給定任務(wù)所在的隊(duì)列指針。this_rq_lock() ：鎖住當(dāng)前可執(zhí)行列隊(duì)。rq_unlock() ：釋放給定列隊(duì)上的鎖。為了避免死鎖，要鎖住多個(gè)運(yùn)行列隊(duì)的代碼，需要按同樣的順序獲得這些鎖。6 優(yōu)先級(jí)數(shù)組每個(gè)運(yùn)行列隊(duì)有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)組：一個(gè)活躍的，一個(gè)過期的。優(yōu)先級(jí)數(shù)組包含一個(gè)優(yōu)先級(jí)位圖，共有 140個(gè)優(yōu)先級(jí)用了 5個(gè) 32位長整形保存?；顒?dòng)數(shù)組：可執(zhí)行隊(duì)列上的進(jìn)程還有

5、時(shí)間片剩余。過期數(shù)組：可執(zhí)行隊(duì)列上的進(jìn)程耗盡了時(shí)間片。進(jìn)程從活動(dòng)數(shù)組移動(dòng)至過期數(shù)組時(shí)重新計(jì)算時(shí)間片。重新計(jì)算時(shí)間片，以靜態(tài)優(yōu)先級(jí)為基礎(chǔ)計(jì)算。為了判斷 Linux 進(jìn)程類型， Linux 記錄了進(jìn)程用于休眠和執(zhí)行的時(shí)間。若進(jìn)程交互性非常強(qiáng)，時(shí)間片用完后，會(huì)被再次放入活動(dòng)數(shù)組。7 休眠休眠通過等待列隊(duì)進(jìn)程處理。等待列隊(duì)： wait_queue_head_t靜態(tài)創(chuàng)建等待列隊(duì)：DECLARE_W AITQUEUE動(dòng)態(tài)創(chuàng)建等待列隊(duì)：init_waitqueue_head()加入等待列隊(duì)：add_wait_queue()移出等待列隊(duì)：remove_wait_queue()8 負(fù)載平衡保證可執(zhí)行列隊(duì)之間的負(fù)

6、載處于均衡狀態(tài)（用于SMP）。兩種調(diào)用方法：1）當(dāng)前可執(zhí)行列隊(duì)為空；2）系統(tǒng)定時(shí)器 200ms 一次。9 上下文切換1）將虛擬內(nèi)存從上一個(gè)進(jìn)程映射到新的進(jìn)程中；2）將上個(gè)進(jìn)程處理器的狀態(tài)切換到新的進(jìn)程，保存、恢復(fù)棧信息和寄存器信息。10 schedule()被調(diào)用的時(shí)間1）某個(gè)進(jìn)程耗盡時(shí)間片時(shí)；2）優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程進(jìn)入可執(zhí)行態(tài)時(shí)；3）返回用戶空間時(shí)；4）中斷返回時(shí)。11 內(nèi)核搶占只要沒有持有鎖，內(nèi)核就可以進(jìn)行搶占。preempt_count計(jì)數(shù)器記錄內(nèi)核鎖的數(shù)量。內(nèi)核搶占時(shí)機(jī)：1）從中斷返回內(nèi)核空間時(shí)；2）當(dāng)內(nèi)核代碼再一次具有可搶占性的時(shí)候；3）內(nèi)核任務(wù)顯示調(diào)用shedule()；4）內(nèi)核任務(wù)阻

7、塞。12 實(shí)時(shí)性內(nèi)核實(shí)時(shí)調(diào)度策略：1） SCHED_FIFO ：簡單，先進(jìn)先出調(diào)度；2） SCHED_RR ：時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，耗盡時(shí)間片后不再執(zhí)行。 SCHED_NORMAL 是普通、非實(shí)時(shí)的調(diào)度策略。內(nèi)核實(shí)時(shí)調(diào)度策略是基于靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的：內(nèi)核不為實(shí)時(shí)進(jìn)程計(jì)算動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)范圍： 0-99。動(dòng)態(tài)非實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)范圍：100-139（對(duì)應(yīng) nice 值 -20至 +19）。第五章系統(tǒng)調(diào)用1 應(yīng)用程序通過軟中斷機(jī)制通知內(nèi)核。2 參數(shù)驗(yàn)證指針：1）指針指向的內(nèi)存區(qū)域?qū)儆谟脩艨臻g；2）指針指向的內(nèi)存區(qū)域?qū)儆诒具M(jìn)程地址空間；3）如果讀，內(nèi)存標(biāo)記為可讀；如果寫，內(nèi)存標(biāo)記為可寫。3 copy_to_use

8、r() 的三個(gè)參數(shù)：1）進(jìn)程空間的目的地址內(nèi)存；2）內(nèi)核空間源地址；3）需要拷貝的數(shù)據(jù)長度（字節(jié)數(shù)）。copybit_from_user() 和上面相反。第六章中斷和中斷處理程序1 上半部和下半部上半部：中斷處理程序下半部：稍后完成的工作2 注冊(cè)中斷int request_irq(irq, *handle, irqflag, *devname, *devid)irq中斷號(hào)。handle一個(gè)指針，指向中斷處理程序。irqflag標(biāo)志位： SA_INTERRUPT快速中斷處理程序（禁止其他中斷）；SA_SHIRQ ：可在多個(gè)中斷處理程序間共享中斷線。devnamedev_id與中斷相關(guān)的設(shè)備的AS

9、CII 文本表示法。用于共享中斷線，當(dāng)中斷需要退出時(shí)，dev_id提供唯一的標(biāo)志信息。從共享中斷線的中斷處理程序中刪除指定程序。3 釋放中斷free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)4 中斷處理程序irqreturn_t intr_handle(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)regs：一個(gè)指向結(jié)構(gòu)體的指針，包含中斷處理之前的處理器寄存器和狀態(tài)，regs 使用越來越少，應(yīng)該忽略。返回值 irqreturn_t ：1） IRQ_NONE ：中斷對(duì)應(yīng)設(shè)備并不是注冊(cè)函數(shù)期間指定的產(chǎn)生源；2） IRQ_HAN

10、DLE ：正常返回值。重入問題： Linux 的中斷處理程序無需考慮重入，當(dāng)一個(gè)給定的中斷處理程序正在執(zhí)行，相應(yīng)的中斷會(huì)被屏蔽。5 中斷上下文中斷上下文不可以睡眠，不能從中斷上下文中調(diào)用睡眠函數(shù)。中斷棧：現(xiàn)在中斷處理程序擁有自己的棧，每個(gè)處理器一個(gè)，大小為4KB 。6 中斷控制local_irq_disable() ：禁止當(dāng)前處理器上的本地中斷；local_irq_enable() ：允許中斷；local_irq_save(flag) ：禁止中斷并保存系統(tǒng)狀態(tài)；local_irq_restore(flag) ：恢復(fù)中斷并恢復(fù)到原來的狀態(tài)；disable_irq(unsigned int irq

11、) ：禁止指定中斷線；disable_irq_nosync() ：不等待當(dāng)前中斷處理完畢就禁止指定中斷； enable_irq(unsigned int irq) ：允許指定中斷；synchronize_irq() ：等待一個(gè)特定的中斷處理程序的退出。如果調(diào)用了兩次disable_irq() ，需要對(duì)應(yīng)調(diào)用兩次enable_irq() 才可以恢復(fù)。第七章下半部和推后執(zhí)行的工作1 下半部1）縮短中斷執(zhí)行時(shí)間；2）下半部執(zhí)行時(shí)允許響應(yīng)所有的中斷。2 下半部的類型1） BH ：早期實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)淘汰；2）任務(wù)列隊(duì)（task queue）；3）軟中斷（ softirq ）：靜態(tài)定義的下半部接口，共32

12、個(gè)，可在所有處理上同時(shí)執(zhí)行。4） tasklet：基于軟終端的動(dòng)態(tài)下半部實(shí)現(xiàn)，不同類型的tasklet 可在不同處理器同時(shí)執(zhí)行，相同類型的tasklet 不可以同時(shí)執(zhí)行。5）工作列隊(duì)（work queue）：取代任務(wù)列隊(duì)，對(duì)推后執(zhí)行的工作排隊(duì)。6）內(nèi)核定時(shí)器：將操作推后到某個(gè)確定的時(shí)間段。3 軟中斷1）軟中斷最多有32個(gè)。2）一個(gè)軟中斷不會(huì)搶占另外一個(gè)軟中斷，唯一可以搶占軟中斷的是中斷處理程序。3）軟中斷的執(zhí)行時(shí)機(jī)： （ 1）從一個(gè)硬件中斷代碼返回時(shí)；（ 2）在 ksoftirq 內(nèi)核線程中；（ 3）顯示檢查和執(zhí)行處理的軟中斷代碼中，如網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。4）軟中斷保留給系統(tǒng)中對(duì)時(shí)間要求最嚴(yán)格和最重要

13、的下半部使用：如網(wǎng)絡(luò)和SCSI。4 tasklet1） tasklet 通過軟中斷實(shí)現(xiàn)，本身也是軟中斷，有兩種：HI_SOFTIRQ （優(yōu)先級(jí)較高）和TASKLET_SOFTIRQ 。2）的狀態(tài)有：0、TASKLET_STATE_SCHED （已經(jīng)被調(diào)度，正等待運(yùn)行）和 TASKLET_STATE_RUN （正在運(yùn)行，應(yīng)用于多核系統(tǒng)） 。3） tasklet 的調(diào)度過程：（ 1）檢查 tasklet 的狀態(tài)是否為 SCHED >返回；（ 2）保存中斷，禁止本地中斷；（ 3）將調(diào)度 tasklet 加入 tasklet_vec 或者 tasklet_hi_vec 表頭；（ 4）喚起 TAS

14、KLET_SOFTIRQ 或 HI_SOFTIRQ 中斷 >do_softirq() ；（ 5）恢復(fù)中斷并恢復(fù)原狀態(tài)。4）使用 tasklet（ 1）聲明靜態(tài)創(chuàng)建DECLARE_TASKLETDECLARE_TASKLET_DISABLED動(dòng)態(tài)創(chuàng)建tasklet_init(t,tasklet_handle,dev)（ 2） handlevoid tasklet_handle(unsigned long data) 由于 tasklet 靠軟中斷實(shí)現(xiàn)，所以 tasklet 執(zhí)行中不能睡眠 >不能使用信號(hào)量或阻塞函數(shù)。tasklet 運(yùn)行時(shí)運(yùn)行中斷，需要做好保護(hù)工作。（3）調(diào)度task

15、let_schedule(&my_tasklet)加入調(diào)度列隊(duì)tasklet_disable() 禁止莫個(gè) tasklet，若正在執(zhí)行則等待執(zhí)行完畢再禁止 tasklet_disable_nosync() 立即禁止（不太安全） tasklet_enable() 激活一個(gè) tasklettasklet_kill()去掉列隊(duì)的第一個(gè)tasklet（4） ksoftirq輔助軟中斷內(nèi)核線程內(nèi)核不會(huì)立即處理重新觸發(fā)的軟中斷，當(dāng)大量軟中斷出現(xiàn)時(shí)，內(nèi)核會(huì)喚起一組線程來處理這些負(fù)載。（ nice=19）5 工作隊(duì)列（ work queue ）1）工作隊(duì)列可把工作推后，交由一個(gè)內(nèi)核線程去執(zhí)行。2）工作

16、隊(duì)列在進(jìn)程上下文執(zhí)行，允許重新調(diào)度甚至是睡眠，但無法訪問用戶空間。3）實(shí)現(xiàn)工作者線程events/n，n 是處理器編號(hào)。worker_thread() 函數(shù)：執(zhí)行一個(gè)死循環(huán)并休眠，當(dāng)有操作，線程被喚醒。4）使用工作隊(duì)列（ 1）聲明靜態(tài)創(chuàng)建DECLARE_WORK(name, void(*func)(void*), void *data)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建INIT_WORK(struct work_struct *work, void (*func)(void*), void *data)（2）處理函數(shù)void work_handle(void *data)（3）調(diào)度shedule_work(&w

17、ork)馬上調(diào)度shedule_delayed_work(&work,delay)延時(shí)調(diào)度（4）刷新flush_scheduled_work(void)等待隊(duì)列中所有對(duì)象都被執(zhí)行后才返回。cancel_delayed_work(struct work_struct *work)取消延時(shí)的工作。（5）創(chuàng)建新的工作列隊(duì)可在默認(rèn)的工作列隊(duì)外創(chuàng)建新的進(jìn)程：creat_work(const char *name)queue_work()類似 schedule_work() ，針對(duì)自己的進(jìn)程。queue_delayed_work()flush_workqueue()6 下半部機(jī)制的選擇下半部上下文

18、順序執(zhí)行要求軟中斷中斷沒有tasklet中斷同類型不可以同時(shí)執(zhí)行工作隊(duì)列進(jìn)程沒有（和進(jìn)程上下文一樣被調(diào)度）1）易用性：工作列隊(duì)>tasklet> 軟中斷2）速度：軟中斷>tasklet> 工作隊(duì)列3）開銷：工作隊(duì)列>>tasklet 、軟中斷7 下半部的鎖機(jī)制1） tasklet（ 1）相同類型的 tasklet 不允許同時(shí)執(zhí)行，無需同步。（ 2）不同類型的 tasklet 需使用鎖機(jī)制。2）軟中斷所有共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都需要合適的鎖。3）進(jìn)程上下文和下半部共享中斷，上下文訪問共享數(shù)據(jù)前，需禁止下半部并獲取鎖的使用權(quán)。4）中斷上下文和下半部共享中斷，需禁止中斷并取

19、得鎖使用權(quán)。local_bh_disable()禁止本地處理器的軟中斷和tasklet 處理 ,不用禁止工作列隊(duì)。local_bh_enable()Linux 內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第八章內(nèi)核同步介紹讀書筆記(2) 8-101 臨界區(qū)和競爭條件臨界區(qū)：訪問和操作共享數(shù)據(jù)的代碼段。競爭條件：兩個(gè)執(zhí)行線程處于同一個(gè)臨界區(qū)中。2 內(nèi)核中造成并發(fā)的原因1）中斷：任何時(shí)刻異步發(fā)生，打斷當(dāng)前執(zhí)行的代碼。2）軟中斷和tasklet：任何時(shí)刻喚醒或調(diào)度軟中斷、tasklet。3）內(nèi)核搶占（preempt）。4）睡眠及與用戶空間的同步：喚醒調(diào)度程序，調(diào)度新進(jìn)程執(zhí)行。5）對(duì)稱多處理器（SMP）。3 需要加速的代碼1）中斷

20、安全代碼；2） SMP 安全代碼；3）搶占安全代碼。給數(shù)據(jù)加鎖而不是給代碼加鎖。4 編程需注意的問題：1）數(shù)據(jù)是否全局？除了當(dāng)前線程，其他線程是否可以訪問？2）數(shù)據(jù)是否在進(jìn)程/中斷上下文中共享？是否在兩個(gè)不同中斷中共享？3）進(jìn)程在訪問數(shù)據(jù)時(shí)可否被搶占？被調(diào)度的新進(jìn)程是否會(huì)訪問同一數(shù)據(jù)？4）當(dāng)前進(jìn)程是否會(huì)睡眠（阻塞）在某些資源上？共享數(shù)據(jù)處于何種狀態(tài)？5）怎樣防止數(shù)據(jù)失控？若在另一處理器上調(diào)度？5 預(yù)防死鎖1） 加鎖順序是關(guān)鍵，使用嵌套鎖必須以相同順序獲取鎖；2）防止發(fā)生饑餓；3）不要重復(fù)請(qǐng)求同一個(gè)鎖；4）復(fù)雜的加鎖方案也可能造成死鎖 簡化設(shè)計(jì)；5）建議以獲取鎖相反的順序來釋放鎖。第九章內(nèi)核同步

21、方法1 原子操作原子操作執(zhí)行過程不被打斷，原子操作接口分為整數(shù)操作接口和單獨(dú)位操作接口。2 原子整數(shù)操作只有 atomic_t 類型可用于整數(shù)原子操作。atomic_t 類型保證編譯器不對(duì)相應(yīng)的值進(jìn)行優(yōu)化。atomic_t 類型可以屏蔽不同體系結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)原子類型的差異。atomic_t 類型只能使用24位（現(xiàn)在已經(jīng)沒有這個(gè)限制）。定義：asm/atomic.hatomic_t v;atomic_t u = ATOMIC_INIT(0);操作：atomic_set(&v, 4)atomic_add(z, &v)atomic_sub(int i, atomic *v)atomic_

22、inc(&v)atomic_dec(&v)atomic_read(&v)轉(zhuǎn)成整形atomic_dec_and_test(&v)給定原子變量減1，若為 0則返回真。3 原子位操作原子位操作對(duì)普通的內(nèi)存地址操作，沒有atomic_t類型。定義：asm/bitops.h操作：set_bit(int nr, void *addr)clear_bit(int nr, void *addr)change_bit(int nr, void *addr)翻轉(zhuǎn)test_and_set_bit() 設(shè)置并返回原先的值test_and_clear_bit()test_and_chan

23、ge()test_bit()返回第 nr 位非原子操作：_test_bit()4 自旋鎖自旋鎖最多只能被一個(gè)可執(zhí)行線程持有。若一個(gè)線程試圖獲得一個(gè)被征用的自旋鎖，線程會(huì)一直忙循環(huán) 選擇 等待鎖可用。缺點(diǎn)：由于自旋鎖在等待時(shí)自旋（浪費(fèi)處理器時(shí)間），因此自旋鎖不應(yīng)長時(shí)間持有。優(yōu)點(diǎn)：線程不用睡眠，不用進(jìn)行上下文切換。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)相關(guān)代碼：asm/spinlock.h接口定義：linux/spinlock.h聲明：spinlock_t mr_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED加鎖：spin_lock(&mr_lock)解鎖：spin_unlock(&mr_lock)自

24、旋鎖特點(diǎn)：自旋鎖最多被一個(gè)線程持有，為SMP 提供了并發(fā)保護(hù)機(jī)制。單處理器編程時(shí)并不會(huì)加入自旋鎖，僅當(dāng)做檢測(cè)內(nèi)核搶占的開關(guān)。如果禁止內(nèi)核搶占，則自旋鎖無效。自旋鎖可用于中斷處理程序中 （信號(hào)量不可用于自旋鎖， 會(huì)自旋），中斷中使用自旋鎖首先應(yīng)當(dāng)關(guān)中斷。自旋鎖不可遞歸。自旋鎖操作：spin_lock_irqsave(&mr_lock, flag)spin_unlock_irqstore(&mr_lock, flag)保存中斷當(dāng)前狀態(tài)，關(guān)中斷，獲取鎖恢復(fù)中斷到加鎖前狀態(tài)并釋放鎖spin_lock_irq(&mr_lock)關(guān)中斷，獲取鎖spin_unlock_irq(&am

25、p;mr_lock)關(guān)中斷，釋放鎖因?yàn)楹茈y搞清楚中斷情況，推薦使用前者。其他操作：spin_lock_init()動(dòng)態(tài)初始化知道spinlock_tspin_trylock()試圖獲取指定鎖，若未獲取則返回非0spin_is_locked()如制定鎖當(dāng)前正在被獲取，則返回非04 讀寫自旋鎖讀寫不同鎖，多人和可并發(fā)持有讀者鎖，寫鎖只能被一個(gè)任務(wù)持有。用法：rwlock_t mr_rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;read_lock(&mr_rwlock)read_unlock(&mr_rwlock)write_lock(&mr_rwlock)write_

26、unlock(&mr_rwlock)注意：（ 1）不可將讀鎖 “升級(jí) ”為寫鎖，寫鎖會(huì)等待讀鎖。（ 2）多個(gè)讀者可以安全獲得同一個(gè)讀鎖，也可遞歸獲取讀鎖。5 信號(hào)量1）信號(hào)量的特點(diǎn)（ 1） Linux 中的信號(hào)量是一種睡眠鎖；（ 2）信號(hào)量適用于鎖會(huì)被長期占有的情況；（ 3）由于信號(hào)量會(huì)睡眠，所以只能用于進(jìn)程上下文中，中斷上下文不支持調(diào)度；（ 4）可以在持有信號(hào)量時(shí)睡眠；（ 5）不可以在持有信號(hào)量時(shí)使用自旋鎖；（ 6）信號(hào)量允許任意數(shù)目的鎖持有者，自旋鎖一個(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)任務(wù)持有；（ 7）在聲明時(shí)課指定信號(hào)量擁有的持有者數(shù)量。2）創(chuàng)建信號(hào)量定義：asm/semaphore.h靜態(tài)聲明：

27、static DECLARE_SEMAPHORE_GENEIC(none互斥信號(hào)量聲明：static DECLARE_MUTEX(name)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建：sema_init(sem, count)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建互斥對(duì)象：init_MUTEX(sem)（注意大小寫）3）使用信號(hào)量，count)down()信號(hào)計(jì)數(shù)減 1，若為 0或大于 0，則獲取信號(hào)量，若為負(fù)數(shù)，則任務(wù)等待。up()信號(hào)計(jì)數(shù)加 1，若等待隊(duì)列不為空，喚醒等待任務(wù)。down_interruptible(struct semaphore*)若信號(hào)量已被征用，則可進(jìn)入中斷睡眠狀態(tài)。down_trylock()試圖獲取信號(hào)量，若已被征用，則立刻返

28、回非零值。6 讀 -寫信號(hào)量（都是互斥信號(hào)量）定義： linux/rwsem.h靜態(tài)聲明：static DECLARE_RWSEM(name)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建：init_rwsem(struct rw_semaphore *sem)功能：down_read()up_read()down_write()up_write()downgrade_writer()動(dòng)態(tài)將寫鎖轉(zhuǎn)換為讀鎖7 自旋鎖與信號(hào)量中斷上下文中只能使用自旋鎖。任務(wù)睡眠時(shí)只能使用信號(hào)量。需求 建議低開銷加鎖 優(yōu)先使用自旋鎖短期鎖定 優(yōu)先使用自旋鎖長期加鎖 優(yōu)先使用信號(hào)量中斷上下文加鎖 使用自旋鎖持有鎖需要睡眠 使用信號(hào)量8 完成變量完成變量是

29、同步兩個(gè)任務(wù)的一種簡單方法。定義： linux/completion.h靜態(tài)創(chuàng)建：DECLARE_COMPLETION(mr_comp)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建：init_completion()方法：wait_for_completion(struct completion *)等待指定的完成變量接受信號(hào)complete(struct completion*)發(fā)信號(hào)喚醒等待任務(wù)9 禁止搶占內(nèi)核代碼使用自旋鎖作為非搶占區(qū)域的標(biāo)記。preempt_disable() 增加搶占計(jì)數(shù)值，從而禁止內(nèi)核搶占preempt_enable() 減少搶占計(jì)數(shù)值，當(dāng)減為0時(shí)檢查和執(zhí)行被掛起的任務(wù)preempt_enable_n

30、o_resched()preempt_count() 返回?fù)屨加?jì)數(shù)get_cpu()put_cpu()10 順序和屏障屏障（ barrier ）：確保城鄉(xiāng)運(yùn)行順序的指令。rmb() 阻止跨越屏障的轉(zhuǎn)入動(dòng)作發(fā)生重排序。read_barrier_depends() 阻止跨越屏障的具有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的載入動(dòng)作重排序。wmb() 阻止跨越屏障的載入和存儲(chǔ)動(dòng)作發(fā)生重排序。mb() 阻止跨越屏障的載入和存儲(chǔ)動(dòng)作發(fā)生重排序。smp_rmb() 在 SMP 上提供 rmb()功能，在UP 上提供 barrier() 功能。smp_read_barrier_depends()smp_wmb()smp_mb()ba

31、rrirer()阻止編譯器跨越屏障對(duì)載入或存儲(chǔ)操作進(jìn)行優(yōu)化。第十章定時(shí)器和時(shí)間管理1 時(shí)鐘中斷的工作1）跟新系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間；2）跟新實(shí)際時(shí)間；3）在 SMP 系統(tǒng)中均衡調(diào)度各處理器的運(yùn)行列隊(duì)；4）檢查當(dāng)前進(jìn)程是否耗盡時(shí)間片，若耗盡則進(jìn)行重新調(diào)度；5）運(yùn)行超時(shí)的動(dòng)態(tài)定時(shí)器；6）更新資源消耗和處理器時(shí)間的統(tǒng)計(jì)值。2 節(jié)拍率HZARM100（ 10ms）i386 1000 （ 1ms）x86-64提高 HZ 的優(yōu)點(diǎn)：1）更高時(shí)鐘中斷解析度；2）提高時(shí)間驅(qū)動(dòng)事件的準(zhǔn)確性（平均誤差5ms->0.5ms）；3）內(nèi)核定時(shí)器能夠以更高的頻度和更高準(zhǔn)確度執(zhí)行；4）依賴定時(shí)器的系統(tǒng)調(diào)用（如poll 和 sel

32、ect）能以更高精度運(yùn)行；5）對(duì)資源消耗和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的測(cè)量更準(zhǔn)確；6）提供進(jìn)程搶占的準(zhǔn)確度。缺點(diǎn)：1）系統(tǒng)負(fù)擔(dān)增加；2）中斷占用處理器的時(shí)間增加。3 jifiesjiffies 全局變量用來記錄系統(tǒng)自啟動(dòng)以來產(chǎn)生的節(jié)拍總數(shù)。定義：linux/jiffies.hextern unsigned long volatile jiffies;extern u64 jiffies_64;jiffies 取 jifies_64 的低 32位jiffies 溢出回繞：#define time_after(unknown, known) (long)(known)-(long)(unknown)<0)

33、#define time_before(unknown, known) (long)(unknown)-(long)(known)<0)4 時(shí)間中斷處理程序流程：1）獲得鎖xtime_lock ；2）需要時(shí)應(yīng)答或重設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘；3）周期性使用墻上時(shí)間（實(shí)際時(shí)間）更新實(shí)時(shí)時(shí)鐘；4）調(diào)用架構(gòu)無關(guān)的do_timer() 函數(shù)；（ 1）增加 jiffies ；（ 2）更新資源消耗的統(tǒng)計(jì)值；（ 3）執(zhí)行到期的動(dòng)態(tài)定時(shí)器；（ 4）執(zhí)行 schedule_tick() ；（ 5）更新墻上時(shí)間 ->存有 xtime 中；（ 6）計(jì)算平均負(fù)載。5 實(shí)際時(shí)間（墻上時(shí)間）定義 ; kernel/timer

34、.cstruct timespec xtime;struct timespec time_t tv_sec; / 秒，自 1970.7.1開始的秒數(shù)long tv_nsec; / 納秒，自上一秒開始的納秒數(shù)讀寫 xtime 需要用 xtime_lock用戶空間獲取墻上時(shí)間的接口：內(nèi)核空間獲取墻上時(shí)間的接口：鎖，是一個(gè)seqlock 鎖。gettimeofday()sys_gettimeofday() <- 系統(tǒng)調(diào)用設(shè)置當(dāng)前時(shí)間接口：settimeofday()6 定時(shí)器（動(dòng)態(tài)定時(shí)器）定義： linux/timer.hstruct time_list my_timer初始化：init_ti

35、mer(&my_timer);my_timer.expires = jiffies + delay;my_timer.data = 0;my_timer.function = my_function;處理函數(shù)格式：void my_function(unsigned long data)激活：add_timer(&my_timer)修改定時(shí)時(shí)間：mod_timer(&my_timer, jiffies+delay)停止定時(shí)器：del_timer(&my_timer)del_timer_sync() <- 用于 SMP，不可用戶中斷上下文7 延遲執(zhí)行1）忙等待

36、unsigned long delay = jiffies + delays;while(time_before(jiffies, delay);2）代碼等待時(shí)允許內(nèi)核重新調(diào)度其他任務(wù)unsigned long delay = jiffies + delays;while(time_before(jiffies, delay)cond_resched();延遲執(zhí)行在任何情況下都不應(yīng)該在持有鎖或禁止中斷時(shí)發(fā)生。jiffies 采用 volatile 型，每次循環(huán)都會(huì)從內(nèi)存中讀取。3）短延遲linux/delay.hvoid udelay(unsigned long usecs);void mde

37、lay(unsigned long msecs);短延時(shí)是通過循環(huán)實(shí)現(xiàn)的。BogoMips 不是為了表現(xiàn)機(jī)器性能，而是同udelay 和mdelay 使用。4） schedule_timeout()將需要延遲的任務(wù)睡眠至延遲時(shí)間耗盡（不能保證時(shí)間準(zhǔn)確，因?yàn)闀?huì)重新調(diào)度）使用：。set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);schedule_timeout(X*HZ);使用場(chǎng)合為進(jìn)程上下文且不能持有鎖。Linux 內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)讀書筆記 (3) 11-20第十一章內(nèi)存管理1 頁物理也是內(nèi)存管理的基本單位。定義：linux/mm.hstruct page page_fl

38、ag_t flags;/頁的狀態(tài)（臟、鎖定）atomic_t _count;/ 頁的引用記錄（0：內(nèi)核沒有引用，可用于新分配）atomic_t _mapcount;unsigned long private;/ 頁作為私有數(shù)據(jù)時(shí)使用struct address_space *mapping;/頁作為頁緩存時(shí)使用pgoff_tindex;struct list_head lru;void*virtual;/ 虛擬地址2 區(qū)（ zone）ZONE_DMA ：包含的頁用來執(zhí)行DMA 操作。ZONE_NORMAL：正常映射的頁。ZONE_HIGHMEM： “高端內(nèi)存 ”（并不能永久映射到內(nèi)核地址空間）

39、。3 獲得頁（獲取頁的接口）1） sttuct page* alloc_pages(unsigned int gfp_mask, unsigned int order)分配 2x 個(gè)連續(xù)物理頁，并返回指向第一個(gè)頁結(jié)構(gòu)體的指針。2） void* page_address(struct page * page)返回給定物理頁的邏輯地址。3） unsigned long _get_free_pages(unsigned int gft_mask, unsigned int order)與 alloc_page()相同，但直接返回第一頁的物理地址。4） struct page* alloc_page(

40、gfp_mask)unsigned long _get_free_page()以上兩個(gè)函數(shù)只分配一頁。5） unsigned long get_zeroed_page(gfp_mask)只分配一頁，且內(nèi)容填充0，返回邏輯地址指針。釋放頁：void _free_pages(struct page *page, unsigned int order);void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order);void free_page(unsigned long addr);獲取頁后注意進(jìn)行錯(cuò)誤檢查。4 kmalloc()定義：linux/s

41、lab.hvoid* kmalloc(size_t, int flags)分配的內(nèi)存在物理上是連續(xù)的。最大能分配 128KB 。必須檢查分配是否成功。kfree() 和 kmalloc() 對(duì)應(yīng)void kfree(const void *ptr);5 gfp_mask 標(biāo)志該標(biāo)志可以分為三類：（ 1）行為修飾符：描述內(nèi)核如何分配所需內(nèi)存。（ 2）區(qū)修飾符：從哪個(gè)區(qū)分配內(nèi)存。（ 3）類型：組合了行為和區(qū)修飾符，提供了常用的標(biāo)志。類型標(biāo)志：（1）GFP_ATOMIC分配高級(jí)、 優(yōu)先，用于中斷、 下半部、 鎖中及其他不能睡眠的情況配成功率較低） 。（分（ 2） GFP_NOIO 分配可阻塞，不會(huì)啟

42、動(dòng)磁盤IO 。（ 3） GFP_NOFS 分配可阻塞，可能啟動(dòng)磁盤IO，不會(huì)啟動(dòng)文件系統(tǒng)。（4） GFP_KERNEL最常使用，可阻塞。睡眠安全時(shí)用于進(jìn)程上下文（沒有鎖的情況）。（ 5） GFP_USER 常規(guī)分配方式，可阻塞，用于為用戶空間分配內(nèi)存。（ 6） GFP_HIGHUSER 從 ZONE_HIGHMEM 分配可阻塞，用于為用戶空間分配內(nèi)存。（ 7） GFP_DMA 從 ZONE_DMA 分配內(nèi)存6 vmallc()分配內(nèi)存，虛擬地址連續(xù)，物理地址不一定連續(xù)（類似malloc ）。vmalloc() 為了把物理上不連續(xù)的頁轉(zhuǎn)換為虛擬地址連續(xù)的頁，需要專門建立頁表項(xiàng)。通過 vmallo

43、c() 獲得的頁必須一個(gè)一個(gè)進(jìn)行映射，導(dǎo)致 TLB 抖動(dòng)增大，因此僅在不得已情況下調(diào)用，且可能睡眠，不能用于中斷上下文。7 slab 分配器slab分配器把不同對(duì)象劃分為不同的高速緩存組，如進(jìn)程描述符組、索引節(jié)點(diǎn)組、kmalloc組等等。高速緩存又被劃分為不同的slba， slab 由一個(gè)或多個(gè)物理連續(xù)的頁組成（一般一頁）。slab 的狀態(tài)分為：滿、部分滿和空。高速緩存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)kmem_cache_t 保存著三個(gè)鏈表： slabs_full 、slabs_partial 和 slabs_empty。8 slab 分配器接口1）創(chuàng)建kmem_cache_t * kmem_cache_creat

44、(const char* name, size_t size, size_t align, unsigned long flags,void (*ctor)(void*, kmem_cache_t *, unsigned long), void (*dtor)(void*, kmem_cache_t *, unsigned long)（構(gòu)造）（析構(gòu)）2）銷毀int kmem_cache_destroy(kmem_cache_t *cachep)3）從高速緩沖中獲取對(duì)象void* kmem_cache_alloc(kmem_chache_t *cachep, int flags)4）釋放一個(gè)對(duì)象

45、void kmem_cache_free(kmem_cache_t *cachep, void *objp)9 高端內(nèi)存X86 中，高于 896MB 的內(nèi)存是高端內(nèi)存，不能永久映射到內(nèi)核空間。永久映射：映射一個(gè)給定的page 結(jié)構(gòu)體到內(nèi)核地址空間void* kmap(struct page *page)低端內(nèi)存： 返回虛擬地址； 高端內(nèi)存： 建立永久映射再返回。void kunmap(struct page *page)臨時(shí)映射（原子映射） ：當(dāng)上下文不能睡眠時(shí)，可使用臨時(shí)映射（可用于中斷）void* kmap_atomic(struct page *page ， enum km_type t

46、ype)void kunmap_atomic(void *kvaddr, enum km_type type)第十二章虛擬文件系統(tǒng)1 Unix文件系統(tǒng)四要素：文件、目錄、索引節(jié)點(diǎn)（inode）、安裝點(diǎn)（mount point ）索引結(jié)點(diǎn)：存儲(chǔ)訪問權(quán)限、大小、擁有者、創(chuàng)建時(shí)間等信息。超級(jí)塊：存儲(chǔ)文件系統(tǒng)的控制信息。2 VFS 對(duì)象1）超級(jí)塊對(duì)象：代表一個(gè)已安裝的文件系統(tǒng)。2）索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象：代表一個(gè)文件。3）目錄項(xiàng)對(duì)象：代表一個(gè)目錄項(xiàng)，是路徑的一個(gè)組成部分。4）文件對(duì)象：代表由進(jìn)程打開的文件。VFS 將目錄作為文件來處理，目錄項(xiàng)不同于目錄。3 超級(jí)塊對(duì)象各種文件系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)超級(jí)塊，用于存儲(chǔ)指定文件

47、系統(tǒng)信息。超級(jí)塊通常存放于磁盤的特定扇區(qū)中。對(duì)于 sysfs 等非磁盤文件系統(tǒng)，超級(jí)塊存在內(nèi)存中。4 索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象包含內(nèi)核在操作文件或目錄時(shí)需要的全部信息。沒有索引節(jié)點(diǎn)的文件系統(tǒng)，內(nèi)核需要建立這些信息。一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)代表文件系統(tǒng)中的一個(gè)文件（包括設(shè)備、管道等特殊文件）。5 目錄項(xiàng)對(duì)象（dentry）路徑中的每個(gè)組成部分都由一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象表示。目錄項(xiàng)：每個(gè)目錄項(xiàng)代表一個(gè)目錄中的一個(gè)組成部分。eg： /bin/vi“ / ”“ 是bin三”“個(gè)目錄vi項(xiàng)”目錄項(xiàng)不保存在磁盤上，VFS 根據(jù)路徑現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)建。目錄項(xiàng)的狀態(tài)：（1）被使用：對(duì)應(yīng)一個(gè)有效的inode，且對(duì)象存在使用者；（2）未使用

48、：對(duì)應(yīng)一個(gè)有效的inode， VFS 當(dāng)前未使用；（ 3）負(fù)，沒有對(duì)應(yīng)的有效索引節(jié)點(diǎn)。目錄項(xiàng)緩存：（ 1） “被使用的 ”目錄項(xiàng)鏈表；（ 2） “最近被使用 ”的雙向鏈表；（ 3）散列表及散列函數(shù)。6 文件對(duì)象表示進(jìn)程已打開的文件，是打開文件在內(nèi)存中的表示。文件對(duì)象在內(nèi)存中，也沒有對(duì)應(yīng)的磁盤數(shù)據(jù)。第十三章塊 IO 層1 各種設(shè)備塊設(shè)備：隨機(jī)訪問固定大小數(shù)據(jù)片的設(shè)備。字符設(shè)備：按字符流方式有序被訪問，和塊設(shè)備的區(qū)別在于隨機(jī)訪問。扇區(qū)：物理設(shè)備的最小可尋址單元（物理屬性） 。塊：文件系統(tǒng)的最小邏輯可尋址單元。2 IO 調(diào)度程序內(nèi)核會(huì)針對(duì)IO 操作進(jìn)行合并、排序預(yù)操作。Linux 電梯調(diào)度算法（2.

49、4內(nèi)核中的舊算法） ：（ 1）相鄰合并；（ 2）駐留時(shí)間過長的請(qǐng)求放入隊(duì)列尾部；（ 3）保證扇區(qū)的磁盤訪問順序；（ 4）不合適的請(qǐng)求插入位置被放入列隊(duì)尾部。新的調(diào)度算法：（1）最后期限IO 調(diào)度，每個(gè)請(qǐng)求都有一個(gè)超時(shí)時(shí)間，讀默認(rèn)500ms，寫默認(rèn) 5s。（ 2）預(yù)測(cè) IO 調(diào)度，保持良好的讀響應(yīng)，同時(shí)提供良好的全局吞吐率。（ 3）完全公正的排隊(duì) IO 調(diào)度程序（ CFQ）， IO 進(jìn)程列隊(duì)采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)。（4）空操作IO 調(diào)度程序，不進(jìn)行排序，只進(jìn)行合并，適用于閃存等無需“尋道 ”的介質(zhì)。第十四章進(jìn)程地址空間1 內(nèi)存區(qū)域可包含的內(nèi)存對(duì)象1）可執(zhí)行文件代碼的內(nèi)存映射，代碼段（text section）；2）可執(zhí)行文件已初始化全局變量的內(nèi)存映射，數(shù)據(jù)段（3）未初始化全局變量（bss 段的零頁）；data section）；4