Linux 核心子系統之記憶體與進程管理子系統__Linux

Linux 核心子系統的組成

 

由以上7個子系統組成。

一、記憶體管理子系統

職能：

1、從虛擬位址到物理地址映射的管理。

2、實體記憶體分配的管理。

地址映射管理

 

2.1虛擬位址空間分布

在Linux中使用的是虛擬位址，但是在訪問硬體的時候使用的是物理地址。比如程式中用malloc函數分配的都是虛擬位址，但是硬體在使用時用的是物理地址，這其中就有一個轉化關係。

它所支援的虛擬位址空間是由硬體地址匯流排寬度決定的，比如32位地址匯流排支援4GB虛擬記憶體。

使用者空間(0-3G):使用者程式。

核心空間(3-4G):直接映射區3G-3G+896MB.

Vmalloc區，

永久核心映射，

固定映射的線性地址。

2.2虛擬位址轉化為物理地址

CR3存放了頁目錄的基地址。

高10位和CR3寄存器相加，就可以找到頁目錄裡的頁目錄項。

頁目錄項裡存放的是頁表的基地址。

頁表的基地址再加上中間10位的值就可以找到物理頁。

物理頁再加上最後12位的位移就可以找到物理頁（通常4k）的儲存單元了。

 

直接映射區裡：虛擬位址=3G+物理地址

Vmalloc區：可以映射到高端和低端記憶體

永久映射區：高端記憶體

固定映射的線性地址：固定訪問一些寄存器

 

實體記憶體的分配

 

程式通過malloc等函數先申請到虛擬位址，當需要用到物理地址時通過請頁異常獲得物理地址。通過Kmalloc得到的虛擬位址時，虛擬位址和物理地址已經綁定了。

 

二、進程管理子系統

程式：存放在磁碟上的一系列代碼和資料的可執行映像，是一個靜止的實體

進程：是一個執行中的程式，他是動態實體。

 

進程四要素

1.有一段程式供其執行。這段程式不一定是某個進程所專有，可以與其他進程共用。

2.有進程專用的核心空間堆棧。

3.在核心中有一個task_struct資料結構，即通常所說的“進程式控制制塊”。有了這個資料結構，進程才能成為核心調度的一個基本單位接受核心的調度。

4.有獨立的使用者空間

 

Linux進程狀態

 

1.TASK_RUNNING

進程正在被CPU執行，或者已經準備就緒，隨時可以執行。當一個進程剛被建立時，就處於TASK_RUNNING狀態。

2.TASK_INTERRUPTINLE

處於等待中的進程，等待條件為真時被喚醒，也可以被訊號或者中斷喚醒。

3.TASK_UNINTERRUPTINLE

處於等待中的進程，待資源有效時喚醒，但不可以由其它進程通過(signal)或中斷喚醒。

4.TASK_KILLABLE

Linux2.6.25新引入的進程睡眠狀態，原理類似於TASK_UNINTERRUPTIBLE,但是可以被致命訊號(SIGKILL)喚醒。

5.TASK_TRACED

正處於被調試狀態的進程

6.TASK_DEAD

進程退出時(調用do_exit),所處的狀態。

 

Linux進程的描述

在linux核心代碼中，線程、進程都使用結構task_struct(sched.h)來表示，它包含了大量描述進程/線程的資訊，其中比較重要的有：

Pid_t pid; //進程號

Long state;//進程狀態

Int prio;//進程優先順序

 

Linux進程調度

學習調度需要掌握哪些知識點

1、調度策略

即時進程的優先順序比普通進程高。

SCHED_NORMAL(SCHED_OTHER):普通的分時進程

SCHED_FIFO:先入先出的即時進程

SCHED_RR:時間輪轉的即時進程

SCHED_BATCH:批處理進程

SCHED_IDLE:只在系統空閑時才能被調度執行的進程

2、調度時機

 即schedule()函數什麼時候被調用。

主動式：

在核心中直接調用schedule()。當進程需要等待資源等而暫時停止運行時，會把自己的狀態置於掛起(睡眠)，並主動請求調度，讓出CPU。

範例：

1、current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;

2、Schedule();

Current是一個指標，指向當前正在啟動並執行進程的task_struct。

被動式：搶佔式

分為：使用者態搶佔（linux2.4、linux2.6）和核心態搶佔(linux2.6)。

使用者搶佔發生在：

從系統調用返回使用者空間。

從中斷處理常式返回使用者空間。

核心即將返回使用者空間的時候，如果need_resched標誌被設定，會導致schedule()被調用，即發生使用者搶佔。

當某個進程耗盡他的時間片時，會設定need_resched標誌

當一個優先順序更高的進程進入可執行狀態的時候，也會設定need_resched標誌。

使用者態搶佔缺陷

進程/線程一旦運行到核心態，就可以一直執行，直到它主動放棄或時間片耗盡為止。這樣會導致一些非常緊急的進程或線程將長時間得不到運行，降低整個系統的即時性。

改進方式

允許系統在核心態也支援搶佔，更高優先順序的進程/線程可以搶佔正在核心態啟動並執行低優先順序進程/線程。

核心搶佔可能發生在：

中斷處理常式完成，返回核心空間之前。

當核心代碼再一次具有可搶佔性的時候，如解鎖及使能非強制中斷等。

在支援核心搶佔的系統中，某些特例下是不允許搶佔的;

1核心正在運行中斷處理。

2核心進行中中斷內容相關的Bottom Half (中斷的底半部)處理。

硬體中斷返回前會執行非強制中斷，此時仍然處於中斷上下文中。

3進程正持有spinlock自旋鎖、writelock/readlock讀寫鎖等，

當持有這些鎖時，不應該被搶佔，否則由於搶佔將可能導致其他進程長期得不到鎖，而讓系統處於死結狀態。

4核心正在執行發送器scheduler。搶佔的原因就是為了進行新的調度，沒有理由將發送器搶佔掉再運行發送器。

為保證linux核心在以上情況下不會被搶佔，搶佔式核心使用了一個變數preempt_count，稱為核心搶佔計數。這一變數被設定在進程的thread_info結構中。每當核心要進入以上幾種狀態時，變數preempt_count就加1，指示核心不允許搶佔。每當核心從以上幾種狀態退出時，變數preempt_count就減1，同時進行可搶佔的判斷與調度。

3、調度步驟

Schedule函數工作流程如下

1)清理當前運行中的進程；

2)選擇下一個要啟動並執行進程；

3)設定新進程的運行環境。

4)進程環境切換。