深入解析arm64内核调度与进程创建原理

在详细解析ARM64内核调度抢占和进程创建的过程中，首先需要明确一些基础概念和相关原理，以便更好地理解源码的实现机制。下面将从以下几个方面展开详细介绍： ### ARM64内核调度原理 ARM64（也称为AArch64）是ARM架构的一个64位版本，它支持更多的内存寻址能力，并且在内核调度方面引入了多种新特性。在ARM64架构中，内核调度器负责任务管理，包括进程的创建、执行、睡眠和唤醒等。 调度器的核心是选择下一个要执行的进程。在抢占式调度模型中，调度器可以随时暂停当前进程的执行，并选择另一个进程来运行。在ARM64中，这一机制的实现涉及到进程状态的跟踪、时间片的管理以及中断处理等多个方面。 ### ARM64进程创建原理 进程创建在ARM64内核中是一个复杂的过程，涉及到内存管理、文件系统、安全机制等多个方面。进程创建的源码实现关键在于fork()系统调用的处理逻辑，该调用会复制当前进程的状态，创建一个子进程。 在fork过程中，需要为子进程分配新的进程描述符（task_struct），并且复制父进程的内存空间，这包括代码段、数据段、堆栈段等。在ARM64架构中，还涉及到地址空间的分配，以及内核态和用户态的区分。 ### ARM64缺页异常处理流程 缺页异常（page fault）是操作系统在处理进程对虚拟内存的访问请求时，所发生的的一种异常。当进程访问的虚拟地址没有被映射到实际的物理地址上时，就会触发缺页异常。 ARM64的缺页异常处理流程包括以下几个步骤： 1. **异常检测**：当CPU检测到缺页异常时，会暂停当前进程的执行，并将控制权转交给内核的异常处理程序。 2. **异常处理**：内核会查找该虚拟地址对应的页表项，如果该页表项无效，则发生缺页异常。内核接下来会为该虚拟地址分配一个物理页框，并建立页表映射。 3. **页框分配**：如果需要，内核会通过某种页替换算法淘汰一些旧的页框来腾出空间分配新的页框。 4. **页表更新**：建立虚拟地址到新分配的物理页框的映射，并更新页表项。 5. **返回用户态**：异常处理完成后，控制权返回给用户态进程，缺页异常被解决，进程继续执行。 ### ARM64内核态和用户态的内存管理 在ARM64架构中，内核态和用户态的内存管理是分开的，它们使用不同的页表结构和地址空间。 1. **内核态内存管理**： - 内核态的虚拟地址范围通常是固定的，从0到1GB的地址空间。 - 内核页表的基地址存储在TTBR1_EL1寄存器中。 - 内核态地址空间包括内核代码、内核数据和内核堆栈等。 - 内核启动时会初始化内核页表，并建立好内核的虚拟地址到物理地址的映射。 2. **用户态内存管理**： - 用户态每个进程拥有独立的3GB地址空间（除内核保留的1GB之外）。 - 用户态地址空间包括文本段、数据段、堆栈段、bss段、堆段等。 - 当进程访问虚拟地址时，通过页表将虚拟地址翻译成物理地址。 ### ARM64内存映射（mmap）过程 mmap是一种将文件或设备映射到进程地址空间的方法，允许进程直接访问文件内容，而无需通过系统调用进行读写。mmap的过程涉及文件和虚拟地址空间之间的映射建立。 1. **mmap系统调用**：用户进程通过mmap系统调用请求内核将文件的一部分映射到其地址空间。 2. **分配虚拟地址**：内核为映射分配一个合适的虚拟地址范围。 3. **建立页表条目**：内核为映射的每个页建立页表条目，将虚拟地址映射到对应的文件偏移量。 4. **文件映射**：通过文件描述符来访问实际文件内容。 ### 结论 ARM64内核调度、进程创建以及缺页异常处理等机制是操作系统核心功能的体现，它们确保了系统中进程的有效管理和资源的合理分配。了解这些机制的原理及其源码实现对于深入研究ARM64操作系统乃至其它处理器架构的操作系统都是非常有帮助的。 本文通过分析ARM64内核调度抢占和进程创建的原理源码，详细解释了内核态与用户态的内存管理方式，特别是mmap操作和缺页异常的处理流程，对于希望深入了解ARM64架构和Linux内核的开发者来说，是一个宝贵的资源。