linux内核的一些知识点（下）

页

内核以物理页作为内存的基本单位，内存管理单元（MMU）正式以页作为单位进行处理，内存管理单元硬件负责将虚拟地址转为物理地址。所以从虚拟内存的角度来看，页就是最小的单位。

多数32位体系结构的页大小为4KB，而64位体系结构则为8KB。也就是说1G大小的内存会被划分为262144个页来进行管理。linux内核使用page结构来描述物理页，位于linux/mm_types.h中。这个结构体大小为40B，对于页大小为8KB内存大小为4GB的系统来说，要描述所有内存则需要524288个物理页，总大小为20MB。

区

内核会把页划分为不同的区，将相似特性的页分为一组，有些页位于内存特定的物理地址上，所以不能用于特定任务。由于硬件的限制，内核需要对物理页区分对待。比如某些硬件只能通过某些特定的内存地址来执行直接内存访问。还有一些体系结构的内存物理寻址范围比虚拟寻址范围大，于是某些内存就不能永久地映射到内核空间上。

linux通过四种区来区分内存页，

32位x86系统中，小于16MB的物理内存为ZONE_DMA区，能用DMA操作。从16MB到896MB物理内存为ZONE_NORMAL区，正常可寻址页。高于896M的所有内存为ZONE_HIGHEM区，动态映射页。

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内核栈

内核的栈不能像用户空间那样奢侈分配，内核栈大小是固定的，每个进程都分配到一个固定大小的内核栈。每个进程的内核栈大小与体系结构和编译选项有关，通常每个进程有2个页大小的内核栈，所以32位和64位的内核栈大小分别为8KB和16KB。此外，中断栈不共享进程的内核栈，中断栈专门为进程提供用于中断处理程序的栈。

虚拟文件系统

虚拟文件系统即VFS，属于内核子系统，为用户空间提供文件和文件系统相关接口。所有文件系统都依赖VFS共存且协同工作，通过VFS可以使用标准UINX系统调用完成文件操作。VFS让用户能够直接使用open、read、write等系统调用来实现不同物理介质的文件操作，它对不同文件系统进行抽象并提供统一的操作。

系统调用通过VFS接口提供给用户空间使用，它实现了具体的文件系统细节。比如用户空间调用write()函数，会间接调用sys_wirte()函数，然后调用具体的文件系统去与物理介质交互。

unix的文件系统提供了四种抽象概念：文件、目录项、索引节点和安装点。文件和文件相关信息进行分离，文件相关的信息保存在索引节点中unix内核，即inode。

VFS包括四个主要的对象类型：

块设备

能够随机访问固定大小数据的硬件设备称为块设备，块就是这里固定大小的数据。常见块设备有硬盘、软盘、闪存等等。相对于块设备，还有一类设备被称为字符设备。字符设备就是按照字符流的方式有序地访问，比如串口、键盘等。数据的随机访问是区分它们的主要依据。内核没有专门的子系统处理字符设备，但提供了专门的子系统来管理块设备，因为块设备的执行性能要求很高。

块设备最小可寻址单元是扇区，是块设备的基本单元，扇区大小为2的整数倍，常见的是512字节。块是最小逻辑可寻址单元，内核的所有操作都是按照块来执行的，块的大小不能超过页大小。扇区也称硬扇区或设备块，块也称文件块或I/O块。

缓冲区

当一个块被调入内存时会存储在一个缓冲区中，每个缓冲区与块相对应。内核需要知道哪个块设备和对应哪个缓冲区，所以需要一个描述符来描述，它使用buffer_head结构体来表示，即缓冲区头。对于磁盘来说，它的作用就是来描述磁盘块和物理内存缓冲区之间的映射关系。

请求队列

块设备会将挂起的I/O请求放到请求队列中，该队列由reques_queue结构体表示，是一个双向链表。块设备驱动程序会根据请求队列的请求去操作块设备。

磁盘I/O调度

磁盘寻址是最慢的操作之一，每次寻址都会耗费较多时间，所以需要尽量提升寻址性能。为了提升寻址性能，不能简单地按请求顺序去执行操作，而是会做一些合并和排序的预操作，以此来提升整体性能。内核中负责I/O请求的子系统称为I/O调度程序。

IO调度主要通过合并和排序来减少寻址时间，合并就是将两个或两个以上请求合并为一个请求，比如扇区相邻的请求就可以合并，只需一次就能拿到多次请求的数据。而排序就是让整个请求队列按照扇区增长的方向有序地排序，这样就能保证磁盘头以直线方向移动，从而缩短寻址时间。

进程地址空间

内核除了管理自身内存外还要管理用户空间的进程的内存，这个内存就是进程地址空间，即用户空间看到的内存。linux采用虚拟内存技术，每个用户进程都以虚拟方式来共享内存，对某个进程它就像能访问所有物理内存。

进程地址空间由进程可寻址的虚拟内存组成，内核允许进程使用虚拟内存中的地址。一个进程的地址空间可以与另外一个进程的地址空间相同，它们彼此不相干，即是线程。

进程只能访问有效内存区域的内存地址，每个内存区域具有相关权限，如果一个进程访问不在有效范围内的内存区域，则内核会将该进程终止。

内存区域包括以下对象：

内核通过mm_struct结构体来描述进程的地址空间，它包含了所有相关信息。

页表

当程序访问一个虚拟地址时需要将虚拟地址转为物理地址，然后CPU才能解析地址访问请求。地址的转换需要通过查页表来完成，将虚拟地址分段，使每个虚拟地址都作为一个索引指向页表，页表则会指向下一级的页表或最终的物理页面。

linux使用三级页表来完成地址转换，利用多级页表能够节约地址转换需要占用的存放空间。顶级页表是页全局目录，二级页表是中间页目录，最后一级页表指向物理页面。每个进程都有自己的页表，线程则会共享页表。

页高速缓存

页高速缓存是linux内核实现的磁盘缓存，作用是减少磁盘的IO操作。主要是将磁盘数据缓存到物理内存中，从而让对磁盘的访问变为对物理内存的访问。这个主要的思想就是数据被一旦被访问，那么它很可能短期会再次被访问。

写缓存策略

缓存回收策略

设备类型

有些设备是虚拟的，仅仅提供访问内核功能而已，称为伪设备。比如内核随机数发生器、空设备、零设备、满设备、内存设备。

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（编辑：成都站长网）

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