系統(tǒng)調(diào)用

用戶進(jìn)程與內(nèi)核進(jìn)行交互的一組接口；

需要C庫支持，通過使用C庫定義的函數(shù)來訪問系統(tǒng)調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用、中斷、異常是訪問內(nèi)核的三種方式。

• 系統(tǒng)調(diào)用號(hào)：關(guān)聯(lián)系統(tǒng)調(diào)用
• 系統(tǒng)調(diào)用的性能：

1. linux很短的上下文切換時(shí)間
2. 系統(tǒng)調(diào)用處理程序和每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都非常簡(jiǎn)潔

• 系統(tǒng)調(diào)用處理程序：用戶空間的程序使用軟中斷來通知內(nèi)核執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用

通過exa寄存器傳遞系統(tǒng)調(diào)用號(hào)給內(nèi)核；

給用戶空間的返回值也通過寄存器傳遞（x86系統(tǒng)：存放在eax寄存器上）；

建立系統(tǒng)調(diào)用的好處：

• 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建容易且使用方便
• Linux系統(tǒng)調(diào)用性能很高
• 保證了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性：用戶程序不能直接操作內(nèi)核地址空間。

系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)的區(qū)別：

• 庫函數(shù)是0-n個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的封裝
• 函數(shù)庫調(diào)用是調(diào)用函數(shù)庫中的一個(gè)程序，而系統(tǒng)調(diào)用是調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核的一個(gè)服務(wù)
• 函數(shù)庫調(diào)用屬于過程調(diào)用，開銷較小，系統(tǒng)調(diào)用需要有用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的切換開銷
• 庫函數(shù)調(diào)用是在用戶地址空間執(zhí)行，而系統(tǒng)調(diào)用是在內(nèi)核地址空間執(zhí)行

問題：

• 圍繞系統(tǒng)調(diào)用號(hào)來講，包括系統(tǒng)預(yù)分配、再固化、注冊(cè)到每個(gè)需要支持的體系結(jié)構(gòu)、維護(hù)困難（只能在主內(nèi)核樹維護(hù)）、功能簡(jiǎn)單的話便是大材小用

內(nèi)存管理

• 頁：內(nèi)核把物理頁作為內(nèi)存管理的基本單位

• 內(nèi)存管理單元（MMU）：管理內(nèi)存并把虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址的硬件，以頁為單位進(jìn)行處理。

• struct page:使用了大量的聯(lián)合體union來保證struct page結(jié)構(gòu)體足夠小

• 區(qū)：Linux把系統(tǒng)的頁劃分成區(qū)，形成不同的內(nèi)存池，這樣可以根據(jù)用途進(jìn)行分配。

  ZONE_DMA:DMA使用的頁

  ZONE_NORMAL:正?？蓪ぶ返捻?/p>

  ZONE_HIGHMEM:動(dòng)態(tài)映射的頁

• kmalloc()：返回在物理連續(xù)的一段以字節(jié)為單位的內(nèi)核內(nèi)存

• kfree()：與kmalloc()配對(duì)使用，避免內(nèi)存泄漏

• vmalloc()：分配的內(nèi)存虛擬地址連續(xù)，物理地址無需連續(xù)

  分配非連續(xù)的物理內(nèi)存塊，再“修正”頁表，把內(nèi)存映射到邏輯地址空間的連續(xù)區(qū)域中

• kmalloc和vmalloc

  大部分內(nèi)核代碼選用kmalloc分配內(nèi)存的原因，主要出于性能考慮。

  ? vmalloc為了把物理上不連續(xù)的頁轉(zhuǎn)換為虛擬地址空間上連續(xù)的頁，必須專門建立頁表項(xiàng)。并且，通過vmalloc獲得的頁必須一個(gè)一個(gè)進(jìn)行映射，會(huì)導(dǎo)致比直接映射產(chǎn)生更大的TLB抖動(dòng)。

• 內(nèi)核常用的內(nèi)存分配方式：使用某個(gè)低級(jí)頁分配器或者kmalloc

• 當(dāng)創(chuàng)建和撤銷很多大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以建立slab高速緩存來提升性能

進(jìn)程地址空間

用戶空間中進(jìn)程的內(nèi)存，成為進(jìn)程地址空間。

• 內(nèi)存區(qū)域：

  • 代碼段：可執(zhí)行文件代碼的內(nèi)存映射
  • 數(shù)據(jù)段：可執(zhí)行文件的已初始化的全局變量和靜態(tài)變量
  • BSS段：未初始化的全局變量和靜態(tài)變量
  • 堆：任何匿名的內(nèi)存映射（如malloc分配的內(nèi)存）
  • 棧：進(jìn)程用戶空間棧（進(jìn)程內(nèi)核棧獨(dú)立存在并由內(nèi)核維護(hù)）

• 內(nèi)核同時(shí)使用了mmap（鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)）和mm_rb（紅黑樹）來描述同一塊內(nèi)存區(qū)域，在可以同時(shí)遍歷整個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)，保證了查找節(jié)點(diǎn)的效率

• 查找內(nèi)存地址所對(duì)應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域：

  1. 查看mmap_cache緩存
  2. 未命中時(shí)則選擇搜索mm_rb紅黑樹結(jié)構(gòu)，未找到則返回NULL

• linux使用三級(jí)頁表完成地址轉(zhuǎn)換（虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址）

• brk sbrk

定時(shí)器和時(shí)間管理

• 實(shí)際時(shí)間：開機(jī)后，內(nèi)核初始化從RTC讀取，放入到xtime變量中。系統(tǒng)讀寫 xtime 時(shí)用的就是順序鎖

• 定時(shí)器

  • 靜態(tài)定時(shí)器：執(zhí)行周期性的工作

    1. 更新系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間

    2. 更新實(shí)際時(shí)間

    3. 檢查當(dāng)前進(jìn)程是否用盡了自己的時(shí)間片，如果用盡，需要重新調(diào)度。

• 動(dòng)態(tài)定時(shí)器

  動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的定時(shí)器，使用后銷毀。一般在內(nèi)核代碼中使用的基本都是動(dòng)態(tài)定時(shí)器

  1. HZ：

     節(jié)拍率(HZ)是時(shí)鐘中斷的頻率，表示的一秒內(nèi)時(shí)鐘中斷的次數(shù)。比如 HZ=100 表示一秒內(nèi)觸發(fā)100次時(shí)鐘中斷程序。

  2. jiffies

     jiffies用來記錄自系統(tǒng)啟動(dòng)以來產(chǎn)生的總節(jié)拍數(shù)。比如系統(tǒng)啟動(dòng)了 N 秒，那么 jiffies就為 N×HZ

  3. 時(shí)間中斷處理程序

     時(shí)鐘中斷處理程序作為系統(tǒng)定時(shí)器而注冊(cè)到內(nèi)核中，體系結(jié)構(gòu)的不同，可能時(shí)鐘中斷處理程序中處理的內(nèi)容不同

• 定時(shí)器執(zhí)行流程

  定義：定時(shí)器在內(nèi)核中用一個(gè)鏈表來保存的，鏈表的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)定時(shí)器

  生命周期：

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