《Linux系统内核结构》课件

系统内核结构Linux本课件将深入探讨Linux系统内核结构，包括其核心组成部分、工作原理以及关键功能模块内核简介Linux核心概念核心功能Linux内核是操作系统核心，负责管理系统资源，提供系统服进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动、网络通信、中断处务，并为应用程序提供运行环境理等内核结构层次Linux内核1系统调用接口2内核执行层3硬件抽象层4硬件相关层5硬件相关层内存CPU管理CPU资源，执行指令，调管理内存资源，分配和释放内度任务存空间外设控制和管理系统外设，例如磁盘、网卡、显卡等硬件抽象层平台无关性可移植性HAL层屏蔽硬件差异，提供统一HAL层将硬件相关的代码封装起的接口，使内核能够在不同的硬来，提高内核的可移植性件平台上运行效率优化HAL层可以针对特定硬件进行优化，提升内核效率内核执行层进程管理内存管理创建、销毁、调度、同步进程分配、回收内存，管理虚拟内存文件系统网络通信管理文件和目录，提供文件访问接管理网络设备，实现网络协议栈口系统调用接口应用程序通过系统调用访问内核功能系统调用表包含所有系统调用函数的地址内核执行系统调用，完成特定功能进程管理子系统进程创建进程调度进程通信创建新的进程，分配进程资源选择合适的进程进行运行，分配CPU时进程之间进行数据交换和同步间片进程控制块12进程进程状态ID唯一标识进程记录进程当前状态，如运行、等待、睡眠等34内存信息文件描述符记录进程使用的内存地址空间管理进程打开的文件进程调度策略先到先服务1按照进程到达的顺序进行调度时间片轮转2每个进程分配固定的时间片，轮流执行优先级调度3根据进程优先级进行调度，优先级高的进程优先执行进程同步机制互斥锁1保证同一时刻只有一个进程访问共享资源信号量2控制多个进程对共享资源的访问事件3用于进程之间的同步，等待特定事件发生内存管理子系统虚拟内存管理虚拟地址空间页面映射页面置换算法每个进程都有独立的虚拟地址空间，避将虚拟地址映射到物理地址，提高内存当内存不足时，选择页面进行置换，将免进程之间相互干扰利用率不常用的页面移出内存页面置换算法FIFO先进入内存的页面先被替换LRU最近最少使用页面先被替换OPT最优页面置换算法，选择未来最长时间不会被访问的页面替换文件系统子系统磁盘管理文件管理数据访问管理磁盘空间，分配和释放磁盘块管理文件和目录，提供文件访问接口实现文件数据读取和写入操作虚拟文件系统统一接口可扩展性效率提升VFS提供统一的接口，屏蔽不同文件系VFS允许添加新的文件系统，扩展文件VFS通过缓存机制，提高文件访问效统之间的差异系统功能率常见文件系统12ext2/3/4XFSLinux系统常用的文件系统，支持文高性能文件系统，适用于大型文件和件和目录的创建、删除、访问等操高并发访问作3Btrfs面向未来设计的先进文件系统，支持快照、数据压缩等功能设备驱动子系统块设备驱动网络设备驱动字符设备驱动管理磁盘、SSD等块设备，提供数据读写管理网卡等网络设备，实现数据收发功管理键盘、鼠标、串口等字符设备，提供接口能数据传输功能设备驱动模型设备注册1将设备驱动程序注册到内核中，使内核能够识别和管理设备设备访问2应用程序通过系统调用访问设备，驱动程序负责将请求转发到设备中断处理3设备中断时，驱动程序负责处理中断，并将数据传递给内核字符设备驱动字符流异步操作中断处理字符设备驱动程序以字符流的方式进行字符设备驱动程序通常是异步操作的，字符设备驱动程序需要处理设备中断，数据传输即驱动程序可以并行处理多个请求并将数据传递给内核块设备驱动块操作同步操作块设备驱动程序以块的方式进行块设备驱动程序通常是同步操作数据传输，一次传输多个数据的，即驱动程序必须等待数据传块输完成才能继续执行其他操作缓冲机制块设备驱动程序可以使用缓冲机制，提高数据传输效率网络子系统网络设备协议栈数据传输管理网卡等网络设备，实现数据收发功实现网络协议，例如TCP/IP、UDP等实现网络数据传输，包括数据封装、路能由、转发等协议栈结构应用层1实现各种网络应用程序，例如浏览器、邮件客户端等传输层2提供端到端的可靠数据传输，例如TCP协议网络层3负责数据路由和转发，例如IP协议数据链路层4管理网络设备，实现数据帧的封装和解封装网络设备驱动12数据收发中断处理实现网络数据包的接收和发送功能处理网络设备的中断，将数据传递给协议栈3配置管理配置网络设备参数，例如MAC地址、IP地址等网络协议实现协议协议协议TCP UDPIP面向连接、可靠的数据传输协议无连接、不可靠的数据传输协议，适用网络层协议，负责数据路由和转发于实时性要求高的应用内核同步机制自旋锁忙等待临界区保护自旋锁使用忙等待机制，不断循自旋锁用于保护临界区，确保同环检查锁状态一时刻只有一个进程访问临界区适用场景适用于临界区执行时间短，且频繁访问的场景信号量计数器1信号量使用计数器来控制对共享资源的访问等待队列2当信号量值为0时，进程会进入等待队列，等待信号量变为非0同步机制3信号量可用于进程之间的同步，例如生产者-消费者问题读写锁读锁写锁性能优化允许多个进程同时读取共享资源只允许一个进程写入共享资源，其他进读写锁通过允许多个进程同时读取，提程无法读取或写入高了性能内核中断机制硬件中断中断处理程序中断向量表设备发生中断时，会向CPU发送中断信内核会执行对应设备的中断处理程序，处中断向量表保存了每个中断处理程序的地号理中断事件址中断处理流程中断发生1设备发送中断信号给CPU中断响应2CPU接收中断信号，保存当前执行环境中断处理3CPU跳转到中断向量表中对应的中断处理程序中断返回4中断处理完成后，CPU恢复中断前的执行环境，继续执行程序中断屏蔽与恢复中断屏蔽中断恢复临界区保护禁用特定中断，防止中断发生时被打恢复中断，允许中断信号再次被处理中断屏蔽常用于临界区保护，防止中断断打断临界区代码的执行时钟子系统系统时钟实时时钟为系统提供时间基准，用于调度进即使系统关机，也能保持时间，用于程、管理定时器等记录系统时间系统时钟时钟中断定时器管理系统时钟会周期性地产生时钟中内核使用定时器来实现延迟执断，用于调度进程、更新系统时行、周期性执行等功能间等时间管理系统时钟用于管理系统时间，包括时间戳、时区等实时时钟123硬件时钟时间保持系统时间同步实时时钟是一个独立的硬件时钟，由电池即使系统关机，实时时钟也能保持时间系统启动时，会读取实时时钟的时间，同供电步系统时间内核编译与模块内核源代码内核映像Makefile包含内核的所有代码，用于编译内核用于控制内核编译过程，指定编译选项编译生成的内核映像，包含内核所有代码和数据内核编译过程配置内核1使用make menuconfig或其他配置工具选择内核功能编译内核2使用make命令编译内核源代码，生成内核映像安装内核3将内核映像安装到系统中，启动系统内核模块机制模块化设计动态加载功能扩展内核模块采用模块化设计，可以独立编内核模块可以动态加载和卸载，不需要内核模块可以扩展内核功能，例如添加译和加载重新编译内核新的设备驱动、文件系统等内核调试技术内核调试器内核日志使用内核调试器，例如kgdb、内核会记录一些重要信息，可以kdb，可以调试内核代码通过内核日志分析内核运行状况内核跟踪工具使用内核跟踪工具，例如strace、ltrace，可以跟踪系统调用和库函数调用内核日志系统12日志级别日志记录内核日志系统使用不同的日志级别，内核会将日志信息记录到系统日志文记录不同级别的信息，例如紧急、警件中，例如/var/log/messages告、错误等3日志分析可以通过分析内核日志，诊断系统问题，定位错误内核跟踪工具strace用于跟踪系统调用，显示系统调用执行情况ltrace用于跟踪库函数调用，显示库函数调用情况perf用于性能分析，可以收集性能指标，分析性能瓶颈内核性能优化利用率内存使用网络性能CPU优化CPU调度策略，提高CPU利用率优化内存管理算法，减少内存碎片，提高优化网络协议栈，提高网络吞吐量，减少内存利用率网络延迟性能监控指标利用率内存使用磁盘CPU IO反映CPU的忙碌程度，可以使用top、反映内存的使用情况，可以使用free、反映磁盘的读写速度，可以使用iostat、mpstat等工具查看vmstat等工具查看dstat等工具查看性能优化方法内核参数调整驱动程序优化代码优化调整内核参数，例如进程调度策略、优化设备驱动程序，提高设备访问效优化内核代码，减少系统开销内存管理策略等率内核安全机制权限管理安全策略限制用户对系统资源的访问权限定义系统安全策略，防止恶意攻击安全增强模块添加安全增强模块，增强系统安全性权限管理机制用户1用户拥有不同的权限，可以访问不同的资源组2用户可以属于多个组，每个组拥有不同的权限文件权限3文件和目录拥有不同的权限，例如读、写、执行权限安全增强模块SELinux强制访问控制机制，限制用户对系统资源的访问AppArmor应用程序安全增强机制，限制应用程序的访问权限Grsecurity提供更严格的安全控制机制，例如内存保护、系统调用控制等。