Linux 内核子系统之内存与进程管理子系统

Linux 内核子系统的组成

 

由以上7个子系统组成。

一、内存管理子系统

职能：

1、从虚拟地址到物理地址映射的管理。

2、物理内存分配的管理。

地址映射管理

 

2.1虚拟地址空间分布

在Linux中使用的是虚拟地址，但是在访问硬件的时候使用的是物理地址。比如程序中用malloc函数分配的都是虚拟地址，但是硬件在使用时用的是物理地址，这其中就有一个转化关系。

它所支持的虚拟地址空间是由硬件地址总线宽度决定的，比如32位地址总线支持4GB虚拟内存。

用户空间(0-3G):用户程序。

内核空间(3-4G):直接映射区3G-3G+896MB.

Vmalloc区，

永久内核映射，

固定映射的线性地址。

2.2虚拟地址转化为物理地址

CR3存放了页目录的基地址。

高10位和CR3寄存器相加，就可以找到页目录里的页目录项。

页目录项里存放的是页表的基地址。

页表的基地址再加上中间10位的值就可以找到物理页。

物理页再加上最后12位的偏移就可以找到物理页（通常4k）的存储单元了。

 

直接映射区里：虚拟地址=3G+物理地址

Vmalloc区：可以映射到高端和低端内存

永久映射区：高端内存

固定映射的线性地址：固定访问一些寄存器

 

物理内存的分配

 

程序通过malloc等函数先申请到虚拟地址，当需要用到物理地址时通过请页异常获得物理地址。通过Kmalloc得到的虚拟地址时，虚拟地址和物理地址已经绑定了。

 

二、进程管理子系统

程序：存放在磁盘上的一系列代码和数据的可执行映像，是一个静止的实体

进程：是一个执行中的程序，他是动态的实体。

 

进程四要素

1.有一段程序供其执行。这段程序不一定是某个进程所专有，可以与其他进程共用。

2.有进程专用的内核空间堆栈。

3.在内核中有一个task_struct数据结构，即通常所说的“进程控制块”。有了这个数据结构，进程才能成为内核调度的一个基本单位接受内核的调度。

4.有独立的用户空间

 

Linux进程状态

 

1.TASK_RUNNING

进程正在被CPU执行，或者已经准备就绪，随时可以执行。当一个进程刚被创建时，就处于TASK_RUNNING状态。

2.TASK_INTERRUPTINLE

处于等待中的进程，等待条件为真时被唤醒，也可以被信号或者中断唤醒。

3.TASK_UNINTERRUPTINLE

处于等待中的进程，待资源有效时唤醒，但不可以由其它进程通过(signal)或中断唤醒。

4.TASK_KILLABLE

Linux2.6.25新引入的进程睡眠状态，原理类似于TASK_UNINTERRUPTIBLE,但是可以被致命信号(SIGKILL)唤醒。

5.TASK_TRACED

正处于被调试状态的进程

6.TASK_DEAD

进程退出时(调用do_exit),所处的状态。

 

Linux进程的描述

在linux内核代码中，线程、进程都使用结构task_struct(sched.h)来表示，它包含了大量描述进程/线程的信息，其中比较重要的有：

Pid_t pid; //进程号

Long state;//进程状态

Int prio;//进程优先级

 

Linux进程调度

学习调度需要掌握哪些知识点

1、调度策略

实时进程的优先级比普通进程高。

SCHED_NORMAL(SCHED_OTHER):普通的分时进程

SCHED_FIFO:先入先出的实时进程

SCHED_RR:时间轮转的实时进程

SCHED_BATCH:批处理进程

SCHED_IDLE:只在系统空闲时才能被调度执行的进程

2、调度时机

 即schedule()函数什么时候被调用？

主动式：

在内核中直接调用schedule()。当进程需要等待资源等而暂时停止运行时，会把自己的状态置于挂起(睡眠)，并主动请求调度，让出CPU。

范例：

1、current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;

2、Schedule();

Current是一个指针，指向当前正在运行的进程的task_struct。

被动式：抢占式

分为：用户态抢占（linux2.4、linux2.6）和内核态抢占(linux2.6)。

用户抢占发生在：

从系统调用返回用户空间。

从中断处理程序返回用户空间。

内核即将返回用户空间的时候，如果need_resched标志被设置，会导致schedule()被调用，即发生用户抢占。

当某个进程耗尽他的时间片时，会设置need_resched标志

当一个优先级更高的进程进入可执行状态的时候，也会设置need_resched标志。

用户态抢占缺陷

进程/线程一旦运行到内核态，就可以一直执行，直到它主动放弃或时间片耗尽为止。这样会导致一些非常紧急的进程或线程将长时间得不到运行，降低整个系统的实时性。

改进方式

允许系统在内核态也支持抢占，更高优先级的进程/线程可以抢占正在内核态运行的低优先级进程/线程。

内核抢占可能发生在：

中断处理程序完成，返回内核空间之前。

当内核代码再一次具有可抢占性的时候，如解锁及使能软中断等。

在支持内核抢占的系统中，某些特例下是不允许抢占的;

1内核正在运行中断处理。

2内核正在进行中断上下文的Bottom Half (中断的底半部)处理。

硬件中断返回前会执行软中断，此时仍然处于中断上下文中。

3进程正持有spinlock自旋锁、writelock/readlock读写锁等，

当持有这些锁时，不应该被抢占，否则由于抢占将可能导致其他进程长期得不到锁，而让系统处于死锁状态。

4内核正在执行调度程序scheduler。抢占的原因就是为了进行新的调度，没有理由将调度程序抢占掉再运行调度程序。

为保证linux内核在以上情况下不会被抢占，抢占式内核使用了一个变量preempt_count，称为内核抢占计数。这一变量被设置在进程的thread_info结构中。每当内核要进入以上几种状态时，变量preempt_count就加1，指示内核不允许抢占。每当内核从以上几种状态退出时，变量preempt_count就减1，同时进行可抢占的判断与调度。

3、调度步骤

Schedule函数工作流程如下

1)清理当前运行中的进程；

2)选择下一个要运行的进程；

3)设置新进程的运行环境。

4)进程上下文切换。