1. Linux 内核的实质

内核（kernel）将硬件资源映射为抽象的资源，并提供一些抽象的接口，供进程使用。

Linux 内核所提供的抽象资源表示方法： - 内存空间（memory）：以地址为索引 - 线程（thread）：以线程描述符为索引 - 文件（file）：以文件描述符为索引

抢占性： - 用户资源始终是抢占模式 - 从 2.6 起，支持内核抢占 - 从 4.0 起，支持实时模式

版本号： - 2.6 前内核版本号，x.y.z.p，如果 y 是偶数，则表示稳定版，否则表示开发版。 - 2.6 后内核版本号，x.y.z-foo。

内核对于硬件资源的设计原则： - MS/DOS：允许所有用户程序直接访问硬件资源。 - Windows NT：提供中间层（硬件抽象层，HAL），屏蔽硬件差异。 - Linux：倾向于向用户程序隐藏一切硬件资源，附带严格的基于用户和文件的权限控制。 - 用户：资源的权限 - 用户组：共享资源的权限

在这种抽象下，内核令进程认为自己是这台机器上唯一的程序，只不过这台机器： - 提供时钟 - 具有不定数量的资源，资源申请可能失败

为了实现对硬件资源的这种抽象，在 Linux 中，CPU 执行的被分为了两种模态： - 用户态 - 内核态

基于 modules 的模块化： - 可以在运行时链接或取消链接 - 由内核直接调用，与内核共享内存空间

文件系统（在用户的视角下）： - 数据结构：文件是一系列可随机访问的字节，无论其上可以建立怎样的数据结构，至少能够进行顺序读取或写入，有些（比如块设备）支持随机访问。文件不包含任何控制信息，例如 EOF 并不属于文件的一部分，而是文件读取操作的结束标志。 - Linux 只向进程提供文件描述符（套接字作为文件类型），而不像 Windows 那样向进程提供多种类型的句柄（作为特殊接口）。 - 文件列表是按树状的形式组织起来的，可以用路径来唯一对应一个文件。 - 为了方便，如果要承认根目录有一个文件名 /，那么所有目录名都应视作以 / 结尾，只是在没有歧义时应当略去。 - ./ 指示当前目录，../ 指示父目录，在 / 中这两者皆指示根目录。 - 硬链接和软链接： - 硬链接：指向同一文件的多个文件名。 - 软链接（=符号链接）：指向另一个文件的文件名。

文件系统（在内核的视角下）： - 文件信息组织在 inode 结构中。

内核控制路径（kernel control path）：当遭遇系统调用、中断、异常时，内核控制路径会根据当前的上下文切换到内核态，执行相应的一系列指令。

内核的可重入性（Reentrancy）：多种内核控制路径交织能够在一起。 - 多个执行实体可以同时进入相同的内核代码路径，而不会互相干扰。例如一个异常处理流程可以被中断，转入中断处理流程。 - 不会因共享数据修改导致数据不一致或竞争条件。 - 不会因中断、进程切换等因素导致错误。

Linux 内核实现可重入性实现方式：si yz ks j - 自旋锁 - 信号量 - 原子操作 - 临时禁用中断 - 临时禁用抢占 - 避免死锁：统一资源的申请顺序。

进程地址空间： - 进程有两个地址空间：用户空间和内核空间。它们都是私有空间。 - 使用自定义方式管理内存，如 malloc() C 标准函数。 - 使用系统调用管理内存，如 mmap() 系统调用映射文件到内存。

内核同进程通信： - 信号（Signals）：通知系统事件，可以同步或异步，例如 SIGINT 和 SIGSEGV，由 POSIX 标准规定，进程可以选择处理某些信号量，否则内核将执行默认操作。

进程间通信： - 信号量（Semaphores）：semget() 创建文件。 - 消息队列（Message Queues）：msgget() 创建文件，用 msgsnd() 及 msgrcv() 写入或读取。 - 共享内存（System V Shared memory）：shmget() 创建文件。 - 共享内存（POSIX Shared memory）：用 mmap() 或 shm_open() 创建文件。 - 套接字（Sockets）：socket() 创建文件。

避免共享资源被第三方进程访问： - 如果是同一个程序创建的进程，使用 IPC_PRIVATE 做为键。 - 如果是不同程序创建的进程，使用 ftok() 动态生成键。 - 使用 shmctl() 设置更严格的权限要求。 - 使用 POSIX 共享内存。

进程管理： - fork() _exit wait4() - init 进程jb ig会接管孤儿进程 - 用户组（例如 bash -c "ls | sort | more"）使用同一个 pid 来管理

内存管理： - 虚拟内存：除了内核的几 m 空间之外，都存放在虚拟内存中。

驱动： - I/O 架构 - The Device Driver Model 设备驱动模型 - 设备文件 - 设备驱动

概念： - 总线：一组共享的通信线路。 - 系统总线：连接内部的外围设备（例如 PCIE=Peripheral Component Interconnect） - ISA、EISA、MCA、SCSI、USB - 前端总线：连接 CPU 和 RAM 控制器、北桥。Frontside 指的是 CPU 正面连接的总线，它直接暴露在 CPU 外部，连接 CPU 和整个系统（如主存、I/O）。FSB 架构由于速度问题逐渐被淘汰，导致了后来的内存控制器集成到 CPU 内部。 - 后端总线：连接 CPU 和 L2、L3 缓存。名为 Backside 因为不暴露给外部。BSB 架构被片上互连（On-Die Interconnect）技术所淘汰，现在 L2、L3 缓存也集成到 CPU 内部了。 - 桥：连接多个总线的枢纽，基本上是一个伪概念。 - 北桥：位于 CPU 的北方，负责高速数据传输（CPU、内存、PCIE、南桥）。现在被集成到 CPU 内部。 - 南桥：位于 CPU 的南方，负责低速数据传输（北桥、USB、SATA、LAN）。随着芯片组演变，其独立性被取消，成为控制器集线器（Controller Hub）。

每一个设备由且仅由一条总线管理。

一个 I/O 架构通常包含三部分： - I/O Ports：相当于 I/O 设备的地址。叫端口，是为了与数据访问的接口区分开来。 - 除了数据端口外，通常在设备内部规定一组特殊的寄存器来管理设备，它们可以通过特定端口来访问：控制寄存器、状态寄存器、输入寄存器、输出寄存器…… - I/O Ports 的访问： - 有时规定了一些汇编指令用于访问这些端口。例如 x86 架构中保留的 Port-Mapped I/O 访问 IO 设备，形如 mov dx, 0x60; in al, dx;： | 指令 | 作用 | |---|---| | in | 从 I/O 端口读数据 | | out | 向 I/O 端口写数据 | | insb, insw, insd | 从 I/O 端口批量读取数据（字节/字/双字）| | outsb, outsw, outsd | 向 I/O 端口批量写入数据（字节/字/双字）| - IO 设备也可以被映射到地址空间中去操作，DMA。例如 ARM 就不支持 Port-Mapped I/O，仅支持 Memory-mapped I/O，没有专门的 IO 指令。现代 PCIe 设备（如显卡、网卡、USB）几乎都使用 MMIO。尤其是在 DMA 技术的支持下，设备被允许直接访问内存数据。 - 如何得到 I/O 端口呢？ - Linux：可以通过 /proc/ioports 或 /proc/iomem 来查看 I/O 端口或 MMIO 地址（需要 root 权限）。 - 总的来说，内存由内核分配。内核把设备视作是相对驱动而言的资源，每组资源由且仅由一个驱动来管理。资源按树的方式来索引，用于满足各种设备连接方式（菊花链、并行链、集线器）。 - I/O Interfaces： - 在端口和控制器之间。 - 分为自定义接口（例如键盘、显卡、硬盘）和通用接口（并口，串口，SCSI，USB）。 - USB Mass Storage（USB 大容量存储协议） 采用 SCSI 命令集 进行数据传输。 - 设备控制器： - 负责将高级代码翻译为机器指令，以及根据运行情况设定状态寄存器。 - 典型例子是硬盘控制器，将读取命令翻译为磁头操作。

设备驱动模型： - 早期设备之间差异很大，Linux 仅提供基本的统一能力：内存分配、预订地址区间、中断管理。 - 随着主线类型的标准化（PCI 标准、USB 标准），在 Linux 2.6，Linux 提供了所有总线、所有设备、所有驱动的统一模型。 - /sys/ 是特殊文件系统（sysfs），供设备、驱动、总线、模块等信息。其层级关系关联于 kobject 对象（Kernel Object）的组织层级关系。 /sys/ bus/ --- subsystem pci/ --- subsystem drivers/ --- kset serial/ --- kobject new-id --- attribute - 因而要设备驱动要做的第一件事是创建一个 kobject。其次，为其分配相关的 kset 和 subsystem 等信息，从而为它在层级制中定位。接下来，并通过 kobject_register() 函数将其注册到系统中。最后，通过 sysfs_create_file() 和 sysfs_create_link() 函数创建属性。 - 设备驱动模型分为三层：device、bus_type、device_driver： - device 包含 kobject、bus_type、device_driver 等信息。 - bus_type 通过实现 match() 函数指针来匹配合适的驱动。 - device_driver 通过实现 probe() 和 remove() 函数指针来完成设备的初始化和卸载。 - class_device 定义逻辑上的设备类型，这些类型会被映射到 /dev 下。

设备文件：/dev 下的文件。 - 它们是提供给用户程序使用的，内核本身不依赖设备文件的名字。 - 通过 VFS 访问设备文件，可以实现对设备的读写操作，需要实现 file_operations 接口。 - 使用 ioctl() 系统调用来传递自定义参数。

设备驱动： - 注册 - 初始化 - 监控 I/O 操作 - Polling mode - Interrupt mode - 访问共享内存 - DMA