《奔跑吧 Linux内核》之Linux内核奔跑卷

最新推荐文章于 2024-01-22 11:00:39 发布

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文章标签：操作系统数据结构与算法嵌入式

原文链接：https://juejin.im/post/598d46dd51882548693d690c

本书通过20道题目挑战读者对Linux内核的理解，涵盖存储读写、内存管理、进程调度等多个方面，旨在帮助读者检验并加深对Linux内核的认识。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

Linux内核奔跑卷

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在阅读本书之前，请读者用两小时来完成Linux内核奔跑卷，对Linux内核了解程度做简要的了解。奔跑卷仅仅是Linux内核知识的娱乐游戏节目，希望能给读者带来一丝乐趣，套用国内某个科技圈里知名人士的名言“不服，来跑个分吧！”。

下面一共20道大题目，每道大题目10分，一共200分，读者可以边阅读内核源代码边做题目，请在两小时内完成。如没有特殊说明，本奔跑卷基于Linux 4.0内核和ARM32/ ARM64体系架构。

1．请简述在你所熟悉的处理器中（比如双核Cortex-A9）一条存储读写指令的执行全过程。

2．在一个32KB的4路组相联的cache中，其中cache line为32Byte，请画出这个cache组相联的结构图。

3．内核的一级页表和二级页表存放在什么地方？用户进程的一级页表和二级页表分别存放在什么地方？

4．关于伙伴系统的几个小问题：

系统初始化时，物理内存页面是如何添加到伙伴系统中的？
系统运行时间长了物理内存会出现碎片化，伙伴系统如何避免物理内存的碎片化？

5．关于物理页面内存分配器的几个小问题：

请简述Linux内核在理想情况下页面分配器（page allocator）是如何分配出连续物理页面的？
如何从分配掩码中确定可以从哪些zone中分配内存？
页面分配器是按照什么方向来扫描zone的？

6．关于slab分配器几个小问题：

slab分配器是如何分配和释放小内存块的？
slab分配器中有一个着色的概念（cache color），着色有什么作用？
slab分配器中的slab对象有没有根据per-cpu做一些优化，为什么？

7．用户进程使用malloc()来分配10个page大小的内存，请问内核是否马上分配物理内存？请描述malloc()在内核空间的实现过程。

8．关于struct page数据结构的几个小问题：

struct page数据结构中的_count和_mapcount有什么区别？
匿名页面和文件缓冲页面有什么区别？
trylock_page()和lock_page()有什么区别？

9．关于页面回收的几个小问题：

LRU链表如何知道page的活动频繁程度？
kswapd是按照什么方向来扫描zone的？
内核有哪些页面会被kswapd写回到交换分区？
当page加入到lru链表中，被其他线程释放了这个page，那么lru链表如何知道这个page已经被释放了？

10．关于内存管理的几个重要的数据结构的关系，如mm、vma、page、vaddr、paddr：

如何由mm数据结构和虚拟地址vaddr找到对应的VMA？
如何由page和VMA找到虚拟地址vaddr?
如何由page找到所有映射的VMA？
如何由VMA和虚拟地址vaddr，找出相应的page数据结构？

11．关于缺页中断和虚拟内存的几个小问题：

如果用户进程使用只读属性（PROT_READ）来mmap映射一个文件到用户空间，然后使用memcpy来写这段内存空间，会是什么样的情况？
如果多个VMA的虚拟页面同时映射了同一个匿名页面，那么此时page->index应该等于多少？

12．关于进程的几个小问题：

在内核中如何获取当前进程的task_struct数据结构？
下面小代码片段里，最后会打印出什么？

int main(void)
{
    int i;
    for(i=0; i<2; i++){
         fork();
         printf("-\n");
    }
         wait(NULL);
         wait(NULL);
         return 0;
}复制代码

优先级、nice和权重之间有什么关系？

13．关于CFS调度器的几个小问题：

请简述CFS调度器是如何工作的？
vruntime是如何计算的？
min_vruntime有什么作用？
对新创建的进程和刚唤醒的进程有何关照？

14．关于SMP负载均衡的几个小问题：

普通进程的平均负载load_avg_contrib是如何计算的？runnable_avg_sum和runnable_avg_period是什么含义？
一个4核处理器里每个物理CPU核有独立L1 cache并且只有一个线程，分成两个簇cluster0和cluster1，每个簇包含两个物理CPU核，簇中的CPU核共享L2 cache。请画出该处理器在Linux内核里调度域和调度组的拓扑关系图。

15．关于spinlock的几个小问题：

为什么spinlock的临界区不能睡眠（不考虑RT-Linux的情况）？
如果在spin_lock()和spin_unlock()的临界区中发生了中断，并且中断处理程序恰巧也修改了该临界资源，那么会发生什么后果？如何避免？
Ticket-based的spinlock机制是如何实现的？有什么优缺点？

16．读写信号量使用的自旋等待机制（optimistic spinning）是如何实现的？

17．关于RCU的几个小问题：