怎么進行Linux系統(tǒng)內(nèi)核架構分析

這期內(nèi)容當中小編將會給大家?guī)碛嘘P怎么進行Linux系統(tǒng)內(nèi)核架構分析，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

Linux系統(tǒng)中內(nèi)核是一個非常重要的一部分，那么Linux內(nèi)核具體是什么樣子呢？下面本篇文章和大家深入講解一下Linux系統(tǒng)內(nèi)核機構，有需要的朋友可以參考一下。

1：在內(nèi)核使用高端內(nèi)存頁之前，必須使用下文討論的kmap和kunmap函數(shù)將其映射到內(nèi)存虛擬地址空間中。

2：UMA計算機（一致內(nèi)存訪問，uniform memory access）將可用內(nèi)存以連續(xù)方式組織起來。

3：NUMA計算機（非一致性內(nèi)存訪問，non-uniform memory access）系統(tǒng)的各個CPU都有本地內(nèi)存，可支持特別快速的訪問，各個處理器之間通過總線連接起來，以支持其他CPU的本地內(nèi)存的訪問。

4：內(nèi)核會區(qū)分三種配置選項：FLATTMEM,DISCONTIGMEM,SPARSEMEM,DISCONTIGMEM.

5：內(nèi)存劃分為結 點。每個節(jié)點關聯(lián)到系統(tǒng)中的一個處理器。在內(nèi)核中表示為pg_data_t的實例。

6：各個結點又劃分為 內(nèi)存域，是內(nèi)存域的進一步細分。

7：

注：zonelist：指向zonelist數(shù)據(jù)結構的指針，該數(shù)據(jù)結構按照優(yōu)先次序描述了適于內(nèi)存分配的內(nèi)存管理區(qū)。

8：

1）ZONE_DMA標記適合DMA的內(nèi)存域。

2）ZONE_DMA32標記了使用32位地址字可尋址，適合DMA的內(nèi)存域。

3）ZONE_NORMAL標記了可直接映射到內(nèi)核段的普通內(nèi)存域，這是在所有體系結構上保證都會存在的唯一內(nèi)存域，但無法保證該地址范圍對應了實際的物理內(nèi)存。

4）ZONE_HIGHMEM標記了超出內(nèi)核段的物理內(nèi)存。

5）偽內(nèi)存域ZONE_MOVABLE.

6）MAX_NR_ZONES充當結束標志，在內(nèi)核想要迭代系統(tǒng)中的所有內(nèi)存域時，會用到該常量。

7）各個內(nèi)存域都關聯(lián)了一個數(shù)組，用來組織屬于該內(nèi)存域的物理內(nèi)存頁（頁幀）。對每個頁幀，都分配一個struct page實例以及所需的管理數(shù)據(jù)。

8）每個節(jié)點都提供了一個備用列表（借助struct zonelist）。該列表包含了其他節(jié)點（和相關的內(nèi)存域），可用于代替當前節(jié)點分配內(nèi)存。

3.2.2數(shù)據(jù)結構

1）結點管理

  pg_data_t用于表示節(jié)點的基本元素。

   typedef struct pglist_data{        struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];        struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS];        int nr_zones;        struct page*node_mem_map;        struct bootmem_data *bdata;        unsigned long node_start_pfn;        unsigned long node_present_pages;/*物理內(nèi)存頁的總數(shù)*/        unsighed long node_spanned_pages;/*物理內(nèi)存頁的總數(shù)，包含洞在內(nèi)*/                int node_id;        struct pglist_data *pgdat_next;        wait_queue_head_t kswapd_wait;        struct task_struct *ksward;        int ksward_max_order;}pg_data_t;

注：1）node_zones是一個數(shù)組，包含了節(jié)點中各內(nèi)存域的數(shù)據(jù)結構。

   2）node_zonelists指定了備用節(jié)點及其內(nèi)存域的列表，以便在當前節(jié)點沒有可用空間時，在備用節(jié)點分配內(nèi)存。

   3）節(jié)點中不同內(nèi)存域的數(shù)目保存在nr_zones中

   4）node_mem_map是指向page實例數(shù)組的指針，用于描述節(jié)點的所有物理內(nèi)存頁，它包含了節(jié)點中所有內(nèi)存域的頁。

   5）bdata指向自舉內(nèi)存分配器數(shù)據(jù)結構的實例。

   6）node_start_pfn是該NUMA節(jié)點第一個頁幀的邏輯編號。所有頁幀是依次編號的，每個頁幀的號碼都是全局唯一的。

      在UMA中總是0.

   7）node_present_pages指定了節(jié)點中頁幀的數(shù)目，node_spanned_pages則給出了該節(jié)點以頁幀 為單位計算的長度。

   8）node_id是全局節(jié)點ID。

   9）pgdat_next連接到下一個內(nèi)存節(jié)點，系統(tǒng)中所有的內(nèi)存節(jié)點都通過單鏈表連接起來，其末尾通過空指針標記。

  10）kswapd_wait是交換守護進程（swap daemon）的等待隊列，將在頁幀換出節(jié)點時會用到。

      kswapd指向負責該節(jié)點的交換守護進程的task_struct.

      kswapd_max_order用于頁交換子系統(tǒng)的實現(xiàn)，用來定義需要釋放的區(qū)域的長度。

  11）節(jié)點的內(nèi)存域保存在node_zones[MAX_NR_ZONES].該數(shù)組總是有3項。即使節(jié)點沒有那么多內(nèi)存域，若不足3個，則其余的數(shù)組項用0填充。

    enum node_states{     N_POSSIBLES,                   /*節(jié)點在某個時候可能變成聯(lián)機*/     N_ONLINE,                      /*節(jié)點是聯(lián)機的*/     N_NORMAL_MEMORY,               /*幾點有普通內(nèi)存域*/#ifdef CONFIG_HIGHMEM     N_HIGH_MEMORY,                 /*節(jié)點有普通或高端內(nèi)存域*/#else     N_HIGH_MEMORY = N_NORMAL_MEMORY,#endif     N_CPU,                         /*節(jié)點有一個或者多個CPU*/     NR_NODE_STATES};

注：如果節(jié)點有普通或高端內(nèi)存則使用N_HIGH_MEMORY,僅當節(jié)點沒有高端內(nèi)存才設置N_NORMAL_MEMORY.

2）內(nèi)存域

內(nèi)核使用zone結構來描述內(nèi)存域。

2. struct zone{

3. /*通常由頁分配器訪問的字段*/

4. unsigned long pages_min,pages_low,pages_high;        注：1）若空閑頁的數(shù)目多于pages_high,則內(nèi)存域的狀態(tài)是理想的

5. 2）若空閑頁的數(shù)目低于pages_low,則內(nèi)核開始將頁換出到硬盤

6. 3）若空閑頁的數(shù)目低于pages_min，內(nèi)存域急需空閑頁，需頁回收

7. 4）數(shù)據(jù)結構中水印值得填充由init_per_zone_pages_min處理。

8. 5）setup_per_zone_pages_min設置struct zone的pages_min,

9. pages_low,pages_high成員。

10. 
    

11. 
    

12. unsigned long lowmem_reserve[MAX_NR_ZONES];          注：該數(shù)組分別為各種內(nèi)存域指定了若干項，用于一些無論如何都不能失敗                                                             的關鍵性內(nèi)存分配。

13. struct per_cpu_pageset pageset[NR_CPUS];             注：該數(shù)組用于實現(xiàn)每個CPU的熱/冷頁幀列表。內(nèi)核使用這些列表保存可                                                              用于滿足實現(xiàn)的“新鮮”頁。

14. 熱頁幀：在高速緩存中，可以快速訪問，

15. 冷頁幀：不在高速緩存中的頁幀

16. NR_CPUS是一個可以在編譯時間配置的宏常數(shù)。

17. 注：數(shù)組元素的類型為per_cpu_pageset

18.         struct per_cpu_pageset{       struct per_cpu_pages pcp[2];/*索引0對應熱頁，索引1對應冷頁*/}__cacheline_aligned_in_smp;

         注：該結構由一個帶有數(shù)組項的數(shù)組構成，第一項管理熱頁。第二頁管理冷頁。

             有用的數(shù)據(jù)保存在per_cpu_pages中。

            struct per_cpu_pages{       int count;                     /*與該列表相關的頁的數(shù)目*/       int high;                      /*high是頁數(shù)上限水印，在需要的時候清空列表。若count的值超出high，即列表中的                                        頁數(shù)太多*/       int batch;                     /*添加/刪除多項頁的時候，塊的大小*/       struct list_head list;         /*list是頁的雙鏈表，保存當前CPU的冷頁或者熱頁*/}

    
    

19. “

1. 
   

2. /*

3. *不同長度的空閑區(qū)域

4. */

5. spinlock_t           lock;

6. struct free_area     free_area[MAX_OEDER];           注：是同名數(shù)據(jù)結構的數(shù)組，用于實現(xiàn)伙伴系統(tǒng)，每個數(shù)組元素都表示某種                                                             固定長度的一些連續(xù)的內(nèi)存區(qū)。對于包含在每個區(qū)域中的空閑內(nèi)存頁                                                              的管理。free_area是一個起點。

7. ZONE_PAGGING(_pad1_)

8. 
   

9. /*通常由頁面收回掃描程序訪問的字段*/

10. spinlock_t           lru_lock;

11. struct list_head     active_list;                     注：是活動頁的集合

12. struct list_head     inactive_list;                   注：是不活動頁的集合

13. unsighed long        nr_scan_active;                  注：回收內(nèi)存時需要掃描的活動頁的數(shù)目

14. unsighed long        nr_scan_inactive;                注：回收內(nèi)存時需要掃描的不活動頁的數(shù)目

15. unsighed long        pages_scanned;                   注：上次回收以來掃描過的頁

16. unsighed long        flags；                          注：描述內(nèi)存域當前狀態(tài)

17.         typedef  enum {         ZONE_ALL_UNERCLAIMABLE,         /*所有的頁都已經(jīng)釘住,不能回收*/         ZONE_RECLAIM_LOCKED,            /*防止并發(fā)回收*/         ZONE_OOM_LOCKED,                /*內(nèi)存域即可被回收*/}zone_flags_t;

18. 
    

19. /*內(nèi)存域統(tǒng)計量*/

20. atmoic_long_t        vm_stat[NR_VM_STAT_ITEMS];       注：維護了大量有關內(nèi)存域的統(tǒng)計信息。輔助函數(shù)zone_page_state用來                                                              讀取vm_stat中的信息

21. int prev_priority;                                    注：存儲了上一次掃描操作掃描該內(nèi)存域的優(yōu)先級。掃描操作是由try_to                                                              _free_pages進行的，直至釋放了足夠多的頁幀。

22. ZONE_PAGGING(_pad2_)

23. /*很少使用或大多數(shù)情況下只讀的字段*/

24. wait_queue_head_t    *wait_table;                     注：是一個等待隊列，可用于等待某一頁變?yōu)榭捎眠M程。進程排成一個隊   ``

25. unsighed long        wait_table_hash_nr_entries;列，等待某些條件， 在條件為真時，內(nèi)核會通知進程恢復工作。

26. unsighed long        wait_table_bits;

27. 
    

28. /*支持不連續(xù)內(nèi)存模型的字段*/

29. struct pglist_data  *zone_pgdat;                     注：內(nèi)存域和父節(jié)點之間的關聯(lián)由zone_pgdat建立，zone_pgdat指向?qū)?                                                              應的pg_list_data實例

30. unsighed long       zone_start_pfn;                  注：內(nèi)存域第一個頁幀的索引

31. unsighed long       spanned_pages;                       /*總長度，包括空洞*/

32. unsighed long       present_pages;                       /*總長度，不包括空洞*/實際上可用的頁數(shù)目

33. /*

34. *很少使用的字段

35. */

36. char               *name;                           注：是一個字符串，保存該內(nèi)存域的慣用名稱。3個選項可用，Normal，

37. DMA,HighMem

38. }__cacheline_maxaligned_in_smp;

3.內(nèi)存域水印的計算

在計算水印之前，內(nèi)核首先確定需要為關鍵性分配保留的內(nèi)存空間的最小值。該值隨可用內(nèi)存的大小而非線性增長，并保留在全局變量min_free_kbytes中。

注：1）高端內(nèi)存域的下界SWAP_CLUSTER_MAX.

   2)它定義了分組的大小。

   3）setup_per_zone_lowmem_reserve計算出lowmem_reserve

上述就是小編為大家分享的怎么進行Linux系統(tǒng)內(nèi)核架構分析了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進行理解。如果想知道更多相關知識，歡迎關注億速云行業(yè)資訊頻道。