初始化
x86架构
- x86架构是指以8086为起始的intel的cpu标准，内部有 8 个 16 位的通用寄存器，20位地址总线
- 32位处理器有 32 根地址总线。系统启动时使用实模式，终止时使用保护模式
启动
-
实模式只有1MB内存寻址空间(x86)
-
加电，重置CS为0xFFFF,IP为0x0000,对应BIOS程序
-
切换到保护模式需要做以下三件事
- 启用分段，辅助进程管理
- 启用分页，辅助内存管理
- 打开其他地址线
内核初始化
创建样板进程, 及各个模块初始化
- 创建第一个进程, 0号进程.
INIT_TASK - 初始化中断,
trap_init(). 系统调用也是通过发送中断进行, 由set_system_intr_gate()完成. - 初始化内存管理模块,
mm_init() - 初始化进程调度模块,
sched_init() - 初始化基于内存的文件系统 rootfs,
vfs_caches_init() - 调用
rest_init()完成其他初始化工作
创建管理/创建用户态进程的进程, 1号进程
rest_init()通过kernel_thread(kernel_init,...)创建 1号进程(工作在用户态).- 权限管理
- x86 提供 4个 Ring 分层权限
- 操作系统利用: Ring0-内核态(访问核心资源); Ring3-用户态(普通程序)
- 用户态调用系统调用: 用户态-系统调用-保存寄存器-内核态执行系统调用-恢复寄存器-返回用户态
- 新进程执行 kernel_init 函数, 先运行 ramdisk 的 /init 程序(位于内存中)
- 首先加载 ELF 文件 (Executable and Linkable Format，可执行与可链接格式)
- 设置用于保存用户态寄存器的结构体
- 返回进入用户态
- ramdisk的 /init 加载存储设备的驱动
- kernel_init 函数启动存储设备文件系统上的 init
创建管理/创建内核态进程的进程, 2号进程
rest_init()通过kernel_thread(kthreadd,...)创建 2号进程(工作在内核态).kthreadd负责所有内核态线程的调度和管理
系统调用
进程管理
什么是进程
进程就是运行中的程序，在linux中有三类进程
- init进程 用户态 不带括号
- 内核线程 kethradd 内核态 带括号[]
- 用户进程
tty 那一列，是问号的，说明不是前台启动的，一般都是后台的服务。
多进程缺点: 创建进程占用资源多; 进程间通信需拷贝内存, 不能共享
线程
一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流。
线程的数据细分成三类：
- 线程栈上的本地数据，每个线程都有自己的栈空间，默认大小为8M （针对于单个函数）
- 整个进程里共享的全局数据，可能冲突
- 线程私有数据
共享数据的保护机制
mutex 在共享数据访问的时候，去申请加把锁
- lock(没抢到则阻塞)
- trylock(没抢到则返回错误码);
- 条件变量(通知), 收到通知, 还是要抢锁(由 wait 函数执行); 因此条件变量与互斥锁配合使用
对应数据结构
内核中进程, 线程统一为任务, 由 task_struct 表示 通过链表串起 task_struct
对于一个正在运行的进程，可以通过以下命令行查看进程详细信息
ps
cat /proc/pid
-
任务ID
通过对比 pid 和 tgid 可判断是进程还是线程
-
任务状态
-
权限相关
- real_cred 谁能操作此进程
- cred 此进程能操作谁 chmod
- uid gid 启动
- euid egid 生效
- fsuid fsgid 文件
capabilities 机制
-
内核栈
保存用户态运行过程中的 CPU 上下文
在内核态，32 位和 64 位的内核栈和 task_struct 的关联关系不同。32 位主要靠 thread_info，64 位主要靠 Per-CPU 变量。
调度
一个 CPU 上有一个队列，CFS 的队列是一棵红黑树，树的每一个节点都是一个 sched_entity，每个 sched_entity 都属于一个 task_struct，task_struct 里面有指针指向这个进程属于哪个调度类。
设置进程和线程的调度策略
# 查看当前进程的调度策略
chrt -p <pid>
# 修改当前进度的调度优先级和策略
chrt -f -p | -i | -o <priority> <pid>
- 主动调度
- 抢占调度
如何查看进程的运行时间和上下文切换次数
cat /proc/<pid>/sched
进程创建
fork
- 将 task_struct 结构复制一份并且初始化
- 试图唤醒新创建的子进程。
线程创建
线程不是一个完全由内核实现的机制，它是由内核态和用户态合作完成的。
pthread_create 不是一个系统调用，是 Glibc 库的一个函数。
- 内核态创建任务
- 用户态执行线程
创建进程的话，调用的系统调用是 fork，在 copy_process 函数里面，会将五大结构 files_struct、fs_struct、sighand_struct、signal_struct、mm_struct 都复制一遍，从此父进程和子进程各用各的数据结构。
而创建线程的话，调用的是系统调用 clone，在 copy_process 函数里面， 五大结构仅仅是引用计数加一，也即线程共享进程的数据结构。
内存管理
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物理内存 只有内存管理模块可以操作
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虚拟地址 每个进程看到的是独立的、互不干扰的虚拟地址空间
- 内核空间 在高地址 内核 同一个内核空间
- 用户空间 在低地址 普通进程 独占整个空间
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用户态内存构成
- Text Segment 存放二进制可执行代码
- Data Segment 存放静态常量
- BSS Segment 未初始化的静态变量
- 堆（Heap）段 动态分配内存
- Memory Mapping Segment 文件映射进内存
- 栈（Stack）地址段 函数调用的函数栈
-
可以查看进程内存空间的布局的命令
cat /proc/<pid>/map pmap <pid> -
物理内存和虚拟地址映射
- 分段机制 Linux中段只被用于访问控制和内存保护。
-
分页机制 Linux 主要使用分页的机制 多级页表
 -
段页机制
进程空间管理
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32位
-
64位
直接映射区: 这一块空间是连续的，和物理内存是非常简单的映射关系
查看虚拟内存和物理内存的映射关系
cat /proc/pid/pagemap
cat /proc/kpagecount
cat /proc/kpageflags
cat /proc/kpagecgroup
