Linux内核组成和架构

维普资讯 http://www.cqvip.com Ｌ　ｉ　ｎ　ｕ　ｘ内核组成和架构　Ｌｉｎｕｘ内核是Ｌｉｎｕｘ最核心的部分，Ｌｉｎｕｘ操作系统就是在Ｌｉｎｕｘ内核上发　展壮大起来的，而内核的组成和架构则是任何试图涉及Ｌｉｎｕｘ　Ｋｅｒｎｅｌ的开源　爱好者共同关心的。　口Ｉｎｔｅｌ开源技术中心刘宏　Ｌｉｎｕｘ内核从９０年代初由Ｌｉｎｕｓ发布　第一版开始，经过开源社区十几年的共同　努力，现在已经发展到了最新的２．６内核。　它已经从Ｌｉｎｕｓ作为学习Ｉｎｔｅｌ　３８６架构的　一链表数组　Ｈ，运行的进　个“玩具”项目发展成一个成熟的可以　商用的操作系统。由于Ｌｉｎｕｘ是一款开源　的操作系统，这就给了我们一个非常难得　的机会去学习一个成熟的、商用的操作系　口一口一口　口一口　优　先　级　统是如何实现的。　低　进程管理　Ｌｉｎｕｘ内核支持所谓的多任务运行　（ｍｕｌｔｉｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ），即可以有多个用户　程序同时运行，用户可以一边听音乐一边　写文档。为了在一个单ＣＰＵ的系统中支持　多任务，Ｌｉｎｕｘ内核使用了进程的概念（内　一口一口一口　图１　２　６内核０（１）调度器　个非常重要的数据结构，所有关于这个　Ｌｉｎｕｘ内核调度器是基于优先级的调　正在运行的用户程序信息都会保存在这个　度器，通过一套非常复杂的算法决定一　核中用ｔａｓｋ　ｓｔｒｕｃｔ的结构表示），一个进　结构中，包括用户程序打开的文件，所使　个进程当前的优先级，同时进程的优先　程就是一个运行中的用户程序。　整个系统运行时，每个进程都会分得　一用的内存空间等。Ｌｉｎｕｘ内核所有对于进　程的管理都是通过这个结构进行的。　２．进程调度器　进程调度器是整个系统非常关键的一　级又是动态调整的：一个很久没有得到运　行的进程的优先级会被暂时增加，以增　加得到运行的机会；一个花了较多时间　睡眠的进程则会被认为是用户交互程序，　定的时间片（从几十毫秒到几百毫秒），　Ｌｉｎｕｘ内核的调度器负责选择不同的进程　运行。当这个进程的时间片用完后，调度　个子系统，在系统中有多个进程可以运行　优先级也会被增加，当这类进程需要运　器会选择一个新的进程运行。由于切换的　时，它负责选择哪个进程运行。每个进程　行的时候就会有较大的机会被调度器选　时间和频率非常快，给用户的感觉是有多　都是ＣＰＵ计算和Ｉ／Ｏ请求的交替，不同的　用，这样整个系统对用户的输入就会有　　个程序在同时运行。而实际上，在一个　是，有的进程大部分的时间是浪费在ＣＰＵ　较快的响应。ＣＰＵ上每一个时间点上其实只有一个进程　在运行。　１．Ｌｉｎｕｘ的进程　一计算上，而有的则把几乎所有的时间用在　早先２．４版本的内核把所有可运行的　了Ｉ／０等待上。一个好的调度器，既能够　进程连接在一个链表上，每次调度时都要　让用户交互程序有很快的反应时间（如编　循环遍历链表上的每一个进程，计算其优　个用户程序开始运行时，内核会负　辑程序必须能够快速地将用户的敲键快速　先级以决定选择哪一个进程运行。这种方　地反映到屏幕上），也能够让ＣＰＵ密集型　法的扩展性不是很好，调度器选择一个可　责把存储在磁盘上的二进制可运行程序调　入内存中，同时会分配一个ｔａｓｋ＿ｓｔｒｕｃｔ代　（ＣＰＵ－ｂｏｕｎｄ）的进程有很好的吞吐量　运行的进程的时间将随着系统内进程数的　表这个要运行的用户程序。ｔａｓｋ—ｓｔｒｕｃｔ是　（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）。　增加而线性增加。在２．５开发版本中，　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｗｏｒｌｄ　２００７．８．５即　维普资讯 http://www.cqvip.com ｏｐｅｎ　Ｓ。ｕｒＣｅ圃　圜软件世界２００７．８．５Ｌｉｎｕｘ内核采用了由Ｉｎｇｏ　Ｍｏｌｎａｒ开发的０（Ｌ）调　实现了ｓ　ｌ　ａ　ｂ分配器很好地解决了这些问题。　度器。Ｏ（１）调度器采用一个链表数组，根据进程　Ｓｌａｂ分配器以对象为单位进行管理，把不同的　的优先级把进程放进不同的链表中，每次调度　对象组织在不同的Ｃａｃｈｅ中。这种方式很好地解　时，总是从优先级最高的链表中取出第一个进程　决了内存浪费的问题，同时又能快速的分配各种　来运行。同时使用一个位图表（ｂｉｔｍａｐ）来记录　不同大小的对象。　每一个优先级链表中是否有可运行的进程，搜寻　这张位图表就可以找到优先级最高的链表。０（１）　虚拟文件系统ＶＦＳ　调度器的调度时间并不会因为系统中进程数的增　Ｌｉｎｕｘ内核支持许多不同的文件系统，在　加而改变，拥有极好的可扩展性。　Ｌｉｎｕｘ系统里，用户可以访问Ｗｉｎｄｏｗｓ系统的　文件。实现这一功能的关键是Ｌｉｎｕｘ内核中的虚　内存管理　拟文件子系统（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｆｉｌｅｓｙｓｔｅｍ）。ＶＦＳ的关　如何有效的管理整个系统的物理内存，快速　键是用一个通用的文件模型来表示各种不同的　响应内核各个子系统对内存分配的请求是操作系　文件系统。这个通用模型主要由以下几个对象　统一个很重要的功能。　来表示ｓｕｐｅｒｂｌｏｃｋ、ｉｎｏｄｅ、ｄｅｎｔｒｙ和ｆｉｌｅ，用　１．页帧　户可以用面向对象的概念来进行理解，ＶＦＳ定　在操作系统启动的初期，内核会通过一定的　义的这些对象就像是基类（ｂａｓｅ　ｃｌａｓｓ），定义　方法来得到系统中物理内存的分布信息（ｘ　８　６　了一些基本的信息，同时为每个类定义了一系　ＰＣ从ＢＩＯＳ得到物理内存的信息，包括总共有多　列的操作函数。　少内存，各个分块的地址信息等，可以通过ｃａｔ　各个不同的文件系统的主要工作就是给每个　／ｐｒｏｃ／ｍｅｍｉｎｆｏ看到整个系统的物理内存分　类加上自己的信息（继承这些基本类），同时提　布）。Ｌｉｎｕｘ内核是以一个物理页帧为单位对系　供自己的操作函数的实现。在硬盘上如何组织存　统的物理内存进行管理的，对每一个物理页帧通　放整个的文件系统，如文件系统控制信息、数据　过一个Ｐａｇｅ的结构进行状态的跟踪。页的大小　文件及根目录存放位置等都因各个文件系统的实　由不同的ＣＰＵ体系结构决定（在Ｉｎｔｅｌ　ｘ８６上通　现而异。Ｌｉｎｕｘ内核只能依赖于各个文件系统自　常大小为４Ｋ字节）。　己实现的操作函数来读取这些信息以达到支持各　２．内存区域　种不同文件系统的目的。　Ｌｉｎｕｘ内核把所有的动态的ＲＡＭ分为几个　１．文件系统的安装　区域，ＺＯＮＥ—ＤＭＡ、ＺＯＮＥ—ＮＯＲＭＡＬ和　在Ｌｉｎｕｘ系统中，为了要操作某个磁盘上分　ＺＯＮＥＨＩＧＨＭＥＭ。根据实际的内存情况，内　区的文件，首先必须要将这个磁盘分区上的文件　核将内存分配给不同的区域。每个Ｚｏｎｅ会分配　系统安装到根文件系统（通常为ｅｘｔ２／ｅｘｔ３）的　一个Ｐａｇｅ的数组来跟踪其所管理的物理内存页　某个目录上。　的信息。为了有效地管理、同时又能快速地响应　每种文件系统都必须定义一个　内存请求，Ｚｏｎｅ通过一种叫ｂｕｄｄｙ　ｓｙｓｔｅｍ的算　ｆｉｌｅｓｙｓｔｅｍ—ｔｙｐｅ结构，这个结构最重要的就是　法来组织这些页。　ｇｅｔ—ｓｂ函数的实现。在安装一个新的文件系统　３．Ｓｌａｂ分配器　时，Ｌｉｎｕｘ内核会通过这个文件系统的名称来找　由于Ｚ０ｎｅ的内存分配是以页为单位进行　到相应的ｆｉｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ—ｔｙｐｅ，调用其ｇｅｔ＿ｓｂ来得　的，对于小的内存分配请求（几十到几百字　到这个文件系统的ｓｕｐｅｒ—ｂｌｏｃｋ（如ｖｆａｔ文件系　节），如果也使用页为单位进行分配就会造成内　统的ｖｆａｔ—ｆｓ—ｔｙｐｅ—ｖｆａｔ—ｇｅｔ—ｓｂ）。　存的大量浪费。而且内核中，分配和释放某种　Ｌｉｎｕｘ内核同时也会读取这个文件系统的　数据结构是非常常见的操作，必须快速地完成　根目录（利用刚得到的Ｓ　ｕ　Ｐ　ｅ　ｒ—ｂ　ｌ　Ｏ　Ｃ　ｋ的　这些操作。　ｒｅａｄｉｎｏｄｅ来读取）。这些信息都会被存储起　在Ｚｏｎｅ的页分配器的基础上，Ｌｉｎｕｘ内核　来，以后在这个文件系统中进行文件操作时，需　一　维普资讯 http://www.cqvip.com 一个管道，这个系统掉调用会返回两个文　件描述符，一个用于读一个用于写。通常　管道会用于父子进程之间，因为它需要两　个进程能访问同一个ｆｉｌｅｓ—ｓｔｒｕｃｔ，读的一　方会关闭写文件描述符，写的一方关闭读　文件描述符；这样两个进程之间就形成了　一个单向的数据通道。　命名管道是为了在任意两个进程之　间进行通信而设计地，通过在当前的文　件系统中创建一个节点（通过ｍｋｎｏｄ系　统调用，指定ｓ—ＦＩＦＯ文件类型），任何　进程只要去打开这个文件就可以进行同　图２　Ｌｉｎｕｘ内核ＶＦＳ子系统数据结构示意图　管道的另一方进行通信了。在Ｌｉｎｕｘ内核　中，管道的实现是通过ｐｉｐｅｒｓ文件系统实　要找到这个ＳｕＰｅ　ｒ—ｂｌＯ　ｃｋ进行操作。　录项上安装了一个文件系统，这时会把　现的。　ｓｕｐｅｒ～ｂｌｏｃｋ中存储的是文件系统级别的　信息，比如这个分区上一共有多少数据　当前找到的ｔｍＰ目录项替换成所安装文　件系统的根目录，从这个根目录开始继　２．Ｓｙｓｔｅｍ　Ｖ　ＩＰＣ　ＡＴ＆Ｔ的Ｓｙｓｔｅｍ　Ｖ　ＵＮＩＸ中提供　的进程间通信接口，Ｌｉｌｑ＿ＵＸ内核实现了　块，哪些是空闲的，那些已经被文件占据　续查找。这时如果再读取某个文件的　了；以及根据这些信息，在创建新文件决　ｉｎｏｄｅ时，会找到这个新安装的文件系统　信号量、信息队列和共享内存这三种　定如何分配数据块。这些都因各个文件系　统的实现而异。　２．文件的打开　．　的ｓｕｐｅｒ　ｂｌｏｃｋ，所有查询、读取等ｉｎｏｄｅ　ＩＰＣ机制。　的操作都会使用这个文件系统的实现。　当用户进程需要一个ＩＰ　Ｃ资源的时　正是通过这种方式，Ｌｉｎｕｘ内核实现了多　候，需要指定一个惟一的ＩＰＣ　ＫＥＹ，　假设我们想访问刚才安装的文件系统　种文件系统的支持。　中的一个文件／ｍｎｔ／ｔｍｐ／ｔｅｓｔ，内核需要　最后会在ｔｍｐ目录里找到ｔｅｓｔ目录项，　Ｌｉｎｕｘ内核会创建一个相应的数据结构并　记住这个ＫＥＹ，同时返回一个３２位标识　ｎｏｄｅ从磁盘上读　符，以后用户进程就通过这个标识符引用　进行一系列的操作。Ｌｉｎｕｘ内核得到了用　并会将表示这个文件的ｉ户想要打开的文件名称后，从根目录“／”　开始一级一级的往下查询。　首先，在ｄｅｎｔｒｙ缓存中查找“ｍｎｔ”目　出。最终将所有的这些数据结构通过图２　这个ＩＰｃ资源，进行同步操作。　的组织方式连接到表示用户进程的　以信息对列为例，为了发送一个信息　ｔａｓｋ　ｓｔｒｕｃｔ上。同时，ｆｉｌｅ—ｆ＿ｏｐ会被更　报文，用户进程将３２位标识符、报文内容　录项，如果没找到，则说明以前还没有别　新成文件系统特定的实现。以后用户对这　和大小通过ｍｓｇｓｎｄ系统调用传给内核，　的用户查找过这个目录项。这时，内核就　个文件的所有操作都会最终调用ｆ　ｉ　ｌ　ｅ—　需要从硬盘上读取ｍｎｔ这个目录项相应的　ｆ　ｏｐ中的函数来完成。　ｉｎｏｄｅ，这就得借助各个文件系统的不同实　现来完成这个操作。　通过ｍｎｔ的父目录即根目录（ｄｅｎｔｒｙ　—内核通过标识符找到相应的数据结构，同　时将数据报文从用户空间拷贝到内核空　间，并将这个报文放入这个数据结构的链　进程间通信　Ｌｉｎｕｘ提供了几种进程间的通信方式，　表中。　接收时，进程通过ｍｓｇｒｃｖ系统调用，　同样指定这个３２位的标识符，内核找到相　应的数据结构后，把保存在链表中的信息　报文传递给这个接收的进程。　用户进程之间就必须通过一定的机　ｄ　ｉｎｏｄｅ—ｉ—ｓｂ）可以找到这个文件系　用于不同的进程之间在用户空间进行同　统的ｓｕｐｅｒ—ｂｌｏｃｋ，通过ｓｕｐｅｒ—ｂｌｏｃｋ的　步、数据的共享和交换。因为不同的用户　ｒｅａｄｉｎｏｄｅ负责读取相应的ｉｎｏｄｅ。同时建　进程都拥有自己独立的进程空间，进程间　的通信就必须通过内核来进行中转，进行　数据的共享和传递。　立ｍｎｔ目录相应的ｄｅｎｔｒｙ并把它加入到　ｄｅｎｔｒｙ缓存中，以备以后的查询使用。　如果找到，则在ｄｅｎｔｒｙ缓存中继续　从ｍｎｔ目录里查找ｔｍｐ的目录项。找到　ｔｍｐ这个目录项后，内核会发现在这个目　制来共享这个ＩＰＣ　ＫＥＹ，通过这个ＫＥＹ　１．管道和命名管道　用户可以通过系统调用ｐｉｐｅ（）来创建　并借助内核的帮助来达到进程间通信的　目的。欺　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｗｏｒｌｄ　２００７．８．５圈