《Linux內(nèi)核剖析》課件

Linux內(nèi)核剖析本課件將帶您深入了解Linux內(nèi)核的各個(gè)關(guān)鍵組件，從基礎(chǔ)知識(shí)到高級(jí)概念，幫助您理解Linux系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)制。Linux內(nèi)核概覽核心負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源，包括內(nèi)存、進(jìn)程、文件系統(tǒng)等。驅(qū)動(dòng)程序連接硬件設(shè)備與內(nèi)核，使系統(tǒng)能夠控制和使用設(shè)備。系統(tǒng)調(diào)用提供應(yīng)用程序與內(nèi)核之間的接口，允許程序訪問(wèn)系統(tǒng)資源。Linux內(nèi)核的歷史發(fā)展11991年LinusTorvalds發(fā)布了第一個(gè)版本的Linux內(nèi)核。22004年Linux內(nèi)核開(kāi)始采用模塊化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了可擴(kuò)展性和靈活性。32005年Linux內(nèi)核引入了64位支持，提高了性能和可擴(kuò)展性。42015年Linux內(nèi)核開(kāi)始支持容器技術(shù)，為云計(jì)算和虛擬化提供支持。Linux內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)1內(nèi)核2系統(tǒng)調(diào)用接口3用戶空間4應(yīng)用程序進(jìn)程管理進(jìn)程創(chuàng)建內(nèi)核為新進(jìn)程分配資源，包括內(nèi)存、進(jìn)程描述符等。進(jìn)程調(diào)度內(nèi)核根據(jù)不同的調(diào)度策略，選擇合適的進(jìn)程運(yùn)行。進(jìn)程通信內(nèi)核提供多種機(jī)制，允許進(jìn)程之間交換數(shù)據(jù)和信息。進(jìn)程終止內(nèi)核釋放進(jìn)程占用的資源，并將其從系統(tǒng)中移除。進(jìn)程的創(chuàng)建和終止創(chuàng)建使用系統(tǒng)調(diào)用fork()創(chuàng)建新的進(jìn)程，并復(fù)制父進(jìn)程的資源。終止使用系統(tǒng)調(diào)用exit()或kill()終止進(jìn)程，釋放進(jìn)程資源。進(jìn)程調(diào)度1FIFO先到先服務(wù)，按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。2SJF最短作業(yè)優(yōu)先，選擇運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程。3優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程優(yōu)先運(yùn)行。4時(shí)間片輪轉(zhuǎn)每個(gè)進(jìn)程分配一定的時(shí)間片，輪流運(yùn)行。進(jìn)程間通信1管道用于父子進(jìn)程之間的單向通信。2消息隊(duì)列進(jìn)程之間通過(guò)隊(duì)列進(jìn)行消息傳遞。3共享內(nèi)存進(jìn)程之間共享一塊內(nèi)存區(qū)域，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。4信號(hào)量用于進(jìn)程之間同步和互斥訪問(wèn)資源。內(nèi)存管理虛擬內(nèi)存將物理內(nèi)存映射到虛擬地址空間，實(shí)現(xiàn)地址保護(hù)和內(nèi)存共享。頁(yè)面置換當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)，將部分頁(yè)面從內(nèi)存中移出到磁盤，以便為新頁(yè)面騰出空間。內(nèi)存分配內(nèi)核管理內(nèi)存分配和釋放，確保內(nèi)存資源的合理利用。虛擬內(nèi)存機(jī)制地址翻譯通過(guò)頁(yè)表將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。頁(yè)面調(diào)度根據(jù)頁(yè)面需求，將頁(yè)面從磁盤加載到內(nèi)存。頁(yè)面置換當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)，將部分頁(yè)面從內(nèi)存中移出到磁盤。頁(yè)面置換算法FIFO先進(jìn)先出，最早進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面首先被替換。LRU最近最少使用，最近最少使用的頁(yè)面首先被替換。OPT最佳置換，選擇未來(lái)最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)被訪問(wèn)的頁(yè)面進(jìn)行替換。文件系統(tǒng)虛擬文件系統(tǒng)統(tǒng)一接口為不同的文件系統(tǒng)提供統(tǒng)一的訪問(wèn)接口。動(dòng)態(tài)加載允許內(nèi)核動(dòng)態(tài)加載和卸載不同的文件系統(tǒng)?？蓴U(kuò)展性方便添加新的文件系統(tǒng)，滿足不同的需求。常見(jiàn)文件系統(tǒng)Ext4目前Linux系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的文件系統(tǒng)，具有高性能和可靠性。Btrfs支持先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理功能，例如快照、副本等。XFS針對(duì)大型文件系統(tǒng)優(yōu)化，提供高效的存儲(chǔ)性能。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序1字符設(shè)備用于處理單個(gè)字符的設(shè)備，例如鍵盤、鼠標(biāo)。2塊設(shè)備用于處理數(shù)據(jù)塊的設(shè)備，例如硬盤、光驅(qū)。3網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的設(shè)備，例如網(wǎng)卡。字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)打開(kāi)打開(kāi)設(shè)備文件，獲取設(shè)備句柄。讀取從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，并返回給應(yīng)用程序。寫入將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備，并由設(shè)備進(jìn)行處理。關(guān)閉釋放設(shè)備資源，關(guān)閉設(shè)備文件。塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)請(qǐng)求隊(duì)列用于管理對(duì)塊設(shè)備的讀寫請(qǐng)求。讀寫操作根據(jù)請(qǐng)求隊(duì)列中的請(qǐng)求，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。中斷處理當(dāng)設(shè)備完成操作后，會(huì)觸發(fā)中斷，通知驅(qū)動(dòng)程序。網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧2網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序3網(wǎng)絡(luò)接口4網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧1應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序使用的協(xié)議，例如HTTP、FTP。2傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，例如TCP、UDP。3網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)路由，例如IP協(xié)議。4鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的封裝和解封裝，例如以太網(wǎng)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序1數(shù)據(jù)接收接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)。2數(shù)據(jù)發(fā)送將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。3中斷處理處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的中斷，例如數(shù)據(jù)接收完成。中斷處理中斷注冊(cè)將中斷處理函數(shù)注冊(cè)到內(nèi)核。中斷觸發(fā)當(dāng)設(shè)備產(chǎn)生中斷時(shí)，內(nèi)核會(huì)調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)。中斷處理中斷處理函數(shù)會(huì)執(zhí)行必要的操作，例如讀取設(shè)備數(shù)據(jù)。中斷返回完成中斷處理后，內(nèi)核會(huì)返回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷注冊(cè)和處理注冊(cè)使用request_irq()函數(shù)注冊(cè)中斷處理函數(shù)。處理中斷處理函數(shù)會(huì)根據(jù)中斷來(lái)源進(jìn)行不同的處理。中斷屏蔽和嵌套屏蔽使用disable_irq()函數(shù)屏蔽中斷，防止中斷打斷當(dāng)前正在執(zhí)行的代碼。嵌套一個(gè)中斷處理函數(shù)可以被另一個(gè)中斷打斷，形成中斷嵌套。定時(shí)器子系統(tǒng)定時(shí)器注冊(cè)使用timer_setup()函數(shù)注冊(cè)定時(shí)器，并指定定時(shí)器超時(shí)時(shí)間。定時(shí)器超時(shí)當(dāng)定時(shí)器超時(shí)時(shí)，內(nèi)核會(huì)調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)。定時(shí)器刪除使用del_timer()函數(shù)刪除定時(shí)器。定時(shí)器注冊(cè)和處理注冊(cè)使用timer_setup()函數(shù)注冊(cè)定時(shí)器，指定超時(shí)時(shí)間和處理函數(shù)。處理定時(shí)器超時(shí)時(shí)，內(nèi)核會(huì)調(diào)用指定的處理函數(shù)進(jìn)行處理。內(nèi)核同步機(jī)制自旋鎖和互斥鎖1自旋鎖用于保護(hù)共享數(shù)據(jù)，防止多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)。2互斥鎖類似于自旋鎖，但允許進(jìn)程在等待鎖時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。信號(hào)量和條件變量信號(hào)量用于控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)次數(shù)。條件變量用于在滿足特定條件時(shí)，喚醒等待的進(jìn)程。內(nèi)核模塊1模塊加載使用insmod命令加載模塊，將模塊代碼加載到內(nèi)核空間。2模塊卸載使用rmmod命令卸載模塊，從內(nèi)核空間