linux内核架构2018最新版本

linux内核

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Architecture of the Linux kernel

Gerion Entrup Felix Herrmann Sophie Matter Elias Entrup

Matthias Jakob Jan Eberhardt Mathias Casselt

March 21, 2018

Contents

1 Introduction 7

1.1 Overview of Linux components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 License . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Process Management 11

2.1 Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Process creation - Forking a process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3 Scheduling in Linux 17

3.1 Scheduling-Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2 Process Categories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3 O(1)-Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.4 Priorities and Timeslices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.5 Completely Fair Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.5.1 Implementation details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.6 Kernel Preemption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4 Interrupts 23

4.1 Interrupt processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.2 Interrupt entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.3 Event handler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.3.1 Example: Generic Top Halve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.3.2 Example: Handler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.4 /proc/interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5 Bottom Halves 27

5.1 Selecting the correct Bottom Halve mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.2 Preemption and Priorities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.3 Softirq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.4 Tasklet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.5 Work queue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6 Kernel Synchronization Methods 31

6.1 Why Is Synchronization Needed? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.2 Standard Synchronization Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.3 Special Synchronization Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.4 Interaction with Interrupts, Bottom Halves and Kernel Preemption . . . . . . . . . . . . . . . 36

6.5 Which one to choose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

6.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

7 System calls 39

7.1 The sync system call . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7.1.1 Userland part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Contents

7.1.2 Kernel part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7.2 Syscalls with arguments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.3 Other input paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

8 Timer 45

8.1 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

8.2 Jiﬃes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

8.2.1 Calculating with Jiﬃes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

8.3 The timer interrupt handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

8.4 Timer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

8.4.1 The timer wheel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

8.5 Waiting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

8.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

9 Memory Management 51

9.1 Description of Physical Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

9.1.1 UMA and NUMA Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

9.1.2 Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

9.1.3 Zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

9.1.4 Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

9.2 Managing Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

9.2.1 Allocating and Freeing Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

9.2.2 High Memory Mappings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

9.2.3 Per-CPU Allocations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

9.2.4 Allocation Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

9.2.5 The Buddy System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

9.3 The Slab Allocator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

9.3.1 Slab Caches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

9.3.2 Slob and Slub Allocator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.3.3 Allocating a Slab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.3.4 kmalloc, kfree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

9.3.5 Allocating Non-Contiguous Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

9.3.6 Choosing an Allocation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

9.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

10 VFS 61

10.1 Filesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

10.1.1 ﬁle system type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

10.1.2 superblock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

10.1.3 vfsmount . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

10.2 Resolving a ﬁle path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

10.2.1 dentry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

10.2.2 inode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10.2.3 ﬁle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

10.3 Process-speciﬁc information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

10.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

11 Virtual Adress Space 65

11.1 mm struct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

11.2 Virtual Memory Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

11.3 Page tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

11.3.1 Recent developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

11.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Contents

12 Block I/O (BIO) 69

12.1 Devices and Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

12.2 Data structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

12.3 I/O Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

12.3.1 Linus Elevator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

12.3.2 Deadline Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

12.3.3 Complete Fair Queuing Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

12.3.4 Noop Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

12.3.5 Budget Fair Queuing Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

12.3.6 Kyber Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

13 Page Cache and Page Writeback 73

13.1 Basic concepts and terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

13.2 The Linux Page Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

13.3 Dirty Page Writeback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

14 sysfs 75

14.1 Data structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

14.1.1 Kobjects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

14.1.2 Ksets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

14.1.3 Subsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

14.2 Checkpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

14.3 Mapping Kobjects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

14.3.1 Directories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

14.3.2 Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

14.3.3 Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

14.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

15 Modules 83

15.1 Source code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

15.1.1 Kernel Exported Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

15.1.2 Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

15.1.3 Providing parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

15.1.4 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

15.1.5 In-tree compilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

15.1.6 External compilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

15.2 Loading modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

15.2.1 Dependencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

15.2.2 Loading from inside the kernel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

15.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

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