Linux内核分析.ppt

1、Linux 内核分析,Linux 引导和初始化,Linux引导简述 Linux初始化(head.S),0 0 xfff,0 x1000 0 x9ffff,0 xa0000 0 xbffff,0 xc0000 0 xc7fff,0 xf00000 xfffff,0 xc8000 0 xdffff,Linux 引导和初始化,0 0 x1000: BIOS 0 xa0000 0 xbffff: Video RAM 0 xc0000 0 xc7fff: Video ROM 0 xc8000 0 xdffff: Extension ROM 0 xf0000 0 xfffff: System ROM 内核

2、映像驻存在： 0 x100000 ,Linux 引导和初始化,段寄存器初始化CS, DS, ES, SS 保护模式初始化Enable MMU映射0 x0 0 x800000 0 xc0000000 0 xc0800000.根据ABI386标准， 系统空间从0 xc0000000开始。,内存管理,Linux虚拟空间结构,0 xc00000000 xf7ffffff (系统空间）,用户 空间 （低3G 空间）,用户 空间 （低3G 空间）,用户 空间 （低3G 空间）,内存管理,0 xc0000000 0 xf7ffffff: 系统空间， 896M 0 xf7ffffff 0 xffffffff:

3、 用于vmalloc, 128M,内存管理,系统空间初始化E820中断获取RAM资源系统初始化物理空间0 896M构造内存页面位图， 用于初始阶段的内存分配。,内存管理,MMU0 x0 0 x38000000 0 xc0000000 0 xf8000000页面大小4K32位地址：22bit 31bit： 页目录索引12bit 21bit： 页面索引0bit 11bit： 页内位移,内存管理,MMU,内存管理,分配页结构系统中每个物理页面相应有一个物理页结构。每个页结构对应物理的一个页面。,内存管理,Zone管理系统空间被分为3个zone.DMA: 0 16M (0 xc0000000 0 xc

4、0100000)NORMAL:16M 896M (0 xc0100000 0 xf8000000)HIGH MEMORY: 896M以上,内存管理,Zone页面管理zone中的页面是按着buddy算法管理。什么是buddy算法？Buddy算法管理的页面：从1个至512个连续页面。,内存管理,系统空间,DMA区 （按buddy算法 管理1 512个 连续页面）,NORMAL区 （按buddy算法 管理1 512个 连续页面）,HIGHMEM区 （按buddy算法 管理1 512个 连续页面）,内存管理,Slab高速缓存什么是slab?Slab和高速缓存关系。如何利用高速缓存。（染色算法）什么是染

5、色算法。,内存管理,通用slab32字节 128k字节 专用slabproc slab cache.Vfs slab cache.,内存管理,系统内存管理结构,DMA ZONE,Buddy 结构,slab,NORMAL ZONE,Buddy 结构,slab,HIGHMEM ZONE,Buddy 结构,内存管理,建立私有slab cachekmem_cache_create功能: 建立slab cache参数:name： slab cache名字。Size： slab对象大小， 对象大小小于32个页面（128k）Offset： 页面偏移量。Flags： 对齐属性Ctor： 对象创建函数Dtor：

6、 对象释放函数， 为空返回值： slab cache管理区， 即kmem_cache_s结构。,内存管理,从私有slab管理区中分配slab对象kmem_cache_alloc功能：从slab中分配一个对象参数： cachep： slab cache管理结构， 即mem_cache_s.flag: 建立slab flag返回值：slab中的对象。,内存管理,释放私有slab对象_kmem_cache_free功能：释放slab队列中对象。参数：cachep： slab cache管理区objp： 释放对象。,内存管理,从通用slab cache中分配对象Kmalloc功能： 从通用SLAB队列

7、中分配空间参数：size： 空间大小（32 128K）flag： 分配flag， 如果为DMA， 从通用SLAB的DMA队列中分配。,内存管理,释放通用slab cache 对象Kfree功能： 释放通用slab对象参数：objp： 释放的对象。,内存管理,从buddy管理区中分配页面_get_free_pages功能： 分配页面参数： gfp_mask: 分配策略， 即从DMA,NORMAL, 或HIGH zone分配页面。Order: 分配页面的大小， 2的幂， 小于10。,内存管理,释放分配的页面_free_pages功能： 释放页面参数：page： 释放的页面。Order：页面大小，

8、2的幂。,内存管理,虚拟地址转换为物理地址_pa(addr)addr 0 xc0000000 物理地址转换为虚拟地址_va(addr)addr + 0 xc0000000,文件系统,VFS和文件系统 VFS是虚拟的文件系统， 提供给用户和特定文件系统统一接口。,文件系统,VFS和文件系统,VFS,EXT2,EXT3,UFS,FAT,文件系统,文件系统的操作1、对super block的操作2、对目录的操作3、对文件的操作,文件系统,Dentry和inodedentry在物理上是不存在的，dentry代表文件名， 目录名。Inode在物理上是存在的， 在存储介质上存在， 代表文件， 目录在存储介

9、质上的存储结构。 目录也是文件， 包含目录名和文件名。,文件系统,Dentry和inode由于链接的引入， 一个inode可能对应几个dentry.Eg:touch testln s test1 testln s test2 test,文件系统,Dentry和inode,Dentry text,Dentry text1,Dentry text2,inode text,文件系统,Dentry和inode查找文件：如/usr/tmp/test查找usr的dentry, 根据dentry中的inode, 得到/usr目录在存储介质上的位置， 读取/usr目录， 从/usr目录中查找tmp的inode

10、信息， 在系统中创建/usr/tmp的dentry, 从/usr/tmp的inode信息中读取/usr/tmp目录， 查找test。,文件系统,Dentry和inodeInode中包含了对文件或目录的操作集合。,文件系统,文件系统的实现1、实现对super block 的操作和解释。Super block的位置是固定的， 从存储介质1K开始的1K字节。Super block 中的magic字段表明是什么文件系统。2、实现对目录操作.3、实现对文件操作.,文件系统,Super block 操作read_super： 读取并解释super block.write_super： 写super blo

11、ck.read_inode, write_inode: 读写inode.,文件系统,对文件操作open: 文件打开。read: 文件的读。write： 文件的写。lseek：文件定位。.,文件系统,对目录操作mkdir: 建立目录。rmdir： 删除目录。link: 建立链接。unlink: 删除链接。mknod: 建立设备节点。,文件系统,EXT2文件系统分析 EXT2文件系统在硬盘上的分布,文件系统,文件系统,文件系统,EXT2文件系统硬盘空间被分为以块为单位。(1k 或 4k)块被分为组。每组分配inode数。,文件系统,文件系统和块设备的接口getblk,块设备驱动程序,块设备驱动接口

12、（block_device_operations）openreleaseioctlcheck_media_change,块设备驱动程序,Open打开设备接口， 对于块设备， 如无硬件的开启工作， 则一般是增加使用计数。 Release关闭设备接口， 如无硬件的关闭工作， 则是减少使用计数。 Ioctl块设备IO控制接口， 如获取块设备大小，获取设备分区信息等。,块设备驱动程序,check_media_change一般用于可热插拔设备。 块设备的输入输出接口呢？块设备驱动程序与系统接口的例程中没有输入输出接口， 系统如何与驱动程序打交道呢。块设备驱动程序的特点： 数据的输入是主动的， 即如果不请

13、求则无数据输入。,块设备驱动程序,块设备数据输入接口块设备中断例程。 request_irq注册设备中断。,块设备驱动程序,块设备输出接口块设备驱动的输出接口是由块设备的队列实现的。 blk_dev_struct每个块设备都有一个blk_dev_struct结构， 这个机构中最重要的是设备的请求队列，request_queue_t。,块设备驱动程序,设备请求队列。request_queue_t请求队列中包含的要素：读请求数据包队列。写请求数据包队列。请求处理函数接口。向后合并接口。向前合并接口。合并请求接口。,块设备驱动程序,设备请求队列构造请求包接口。 数据请求包用于块设备读写请求。请求读写

14、的设备。读写设备的开始地址。读写设备的大小。,块设备驱动程序,数据请求包数据缓冲区地址。 块设备驱动相关的全局变量gendisk：包含设备的名字， major， 分区， 每个分区的大小blksize_size:,块设备驱动程序,块设备驱动相关的全局变量块设备的块大小。hardsect_size：块设备的扇区大小。blk_size：块设备大小。max_sectors：块设备读写的最大扇区数。,块设备驱动程序,块设备驱动程序初始化初始化设备队列（输出接口）。分配数据请求包缓冲区。注册数据请求接口，合并接口初始化gendisk结构。将驱动程序的gendisk链接到系统的gendisk_array结构

15、中。,块设备驱动程序,块设备驱动程序初始化初始化设备的块大小blksize_size， 扇区大小hardsect_size， 最大读取扇区数max_sectors注册块设备中断（设备输入接口）request_irq注册块设备, register_disk.,块设备驱动程序,块设备中断处理例程b_end_io 块设备请求队列合并请求（向前合并， 向后合并）电梯算法。生成请求数据包。发送数据请求。,内核线程和系统同步,内核线程内核线程的特点：共享系统栈无私有栈空间运行于系统空间clone()调用生成执行内核函数， 而不是可执行映像文件,内核线程和系统同步,系统栈系统栈空间： 8K， 连续的两个页面

16、,Task_struct,内核线程和系统同步,Fork Vfork Clone,内核线程和系统同步,系统同步机制 Spin_lockspin_lock不释放cpu资源， 用于smp下。 关闭中断的spin_lock Spin_lock读 Spin_lock写,内核线程和同步机制,关中断， 开中断用于保护和中断例程的共享资源 cli Sti,系统线程和同步机制,信号量同步共享资源 Down占有共享资源*会引起进程调度， 并释放cpu资源 Up释放共享资源,系统线程和同步机制,原子操作锁总线，并对共享资源操作 原子加atomic_add 原子减atomic_sub,内核模块开发及加载,内核模块内核

17、模块是经过编译， 但为经过链接的.o文件。内核模块的加载简单说就是两个问题：1、内核模块链接内核的符号。2、内核链接内核模块的符号。,内核模块开发及加载,ELF文件格式内核模块是.o文件， 未链接的文件， .o文件的ELF文件格式：Elf HeaderProgram HeaderTable(option)Section1.SectionN.Section Header Table,内核模块开发及加载,ELF文件格式模块加载的重点既是分析ELF文件中symbol section中未能解析的symbol。 解析未定位symbol内核模块调用了内核的函数， 访问了内核的数据， 调用了其他模块的函数，

18、 访问了其他模块的数据。但是没有链接，所以加载程序的任务就是查找内核符号表， 查找,内核模块开发及加载,解析未定位symbol系统已加载模块符号表， 定位要加载模块中未定位的符号。如果要加载模块中所有符号得到解析， 则模块加载成功， 否则失败。,内核模块开发及加载,内核模块加载1、加载模块至用户空间。2、将模块中未定位的符号进行重定位。3、建立module数据结构， 并预定所需系统空间。4、将模块从用户空间装入系统空间， 并注册模块接口， 建立内核同模块的链接。,内核模块开发及加载,sys_query_module查找系统符号表。,内核模块开发及加载,sys_create_module创建内核映像,内核模块开发及加载,sys_init_module加载模块映像至系统空间， 注册模块接口。,内核模块开发及加载,内核模块开发1、module_init(fn)实现初始化fn，fn的功能是初始化并注册。Module_init将fn放入对象文件的.initcall.init区， 在系统加载中将调用这个接口。2、module_exit(fn)实现退出fn， fn的功能是退出注销。,内核模块开发及加载,内核模块开发module_exit将fn放入对象文件的exitcall.exit， 当卸载模块时， 调用这个接口。3、EXPORT_SYMBOL输出变量或接口， 供其他模块访问。 EXPOR