嵌入式Linux內(nèi)核開發(fā)必須了解的三十道題

Linux的同步機(jī)制從2.0到2.6以來不斷發(fā)展完善。從最初的原子操作，到后來的信號(hào)量，從大內(nèi)核鎖到今天的自旋鎖。這些同步機(jī)制的發(fā)展伴隨Linux從單處理器到對(duì)稱多處理器的過渡。

伴隨著從非搶占內(nèi)核到搶占內(nèi)核的過度。Linux的鎖機(jī)制越來越有效，也越來越復(fù)雜。

1)Linux的內(nèi)核鎖主要是自旋鎖和信號(hào)量。

自旋鎖最多只能被一個(gè)可執(zhí)行線程持有，如果一個(gè)執(zhí)行線程試圖請(qǐng)求一個(gè)已被爭(zhēng)用(已經(jīng)被持有)的自旋鎖，那么這個(gè)線程就會(huì)一直進(jìn)行忙循環(huán)——旋轉(zhuǎn)——等待鎖重新可用。要是鎖未被爭(zhēng)用，請(qǐng)求它的執(zhí)行線程便能立刻得到它并且繼續(xù)進(jìn)行。自旋鎖可以在任何時(shí)刻防止多于一個(gè)的執(zhí)行線程同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)。

Linux中的信號(hào)量是一種睡眠鎖。如果有一個(gè)任務(wù)試圖獲得一個(gè)已被持有的信號(hào)量時(shí)，信號(hào)量會(huì)將其推入等待隊(duì)列，然后讓其睡眠。這時(shí)處理器獲得自由去執(zhí)行其它代碼。當(dāng)持有信號(hào)量的進(jìn)程將信號(hào)量釋放后，在等待隊(duì)列中的一個(gè)任務(wù)將被喚醒，從而便可以獲得這個(gè)信號(hào)量。

信號(hào)量的睡眠特性，使得信號(hào)量適用于鎖會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間持有的情況;只能在進(jìn)程上下文中使用，因?yàn)橹袛嗌舷挛闹惺遣荒鼙徽{(diào)度的;另外當(dāng)代碼持有信號(hào)量時(shí)，不可以再持有自旋鎖。

Linux 內(nèi)核中的同步機(jī)制：原子操作、信號(hào)量、讀寫信號(hào)量和自旋鎖的API，另外一些同步機(jī)制，包括大內(nèi)核鎖、讀寫鎖、大讀者鎖、RCU (Read-Copy Update，顧名思義就是讀-拷貝修改)，和順序鎖。

2) Linux中的用戶模式和內(nèi)核模式是什么含意?

MS-DOS等操作系統(tǒng)在單一的CPU模式下運(yùn)行，但是一些類Unix的操作系統(tǒng)則使用了雙模式，可以有效地實(shí)現(xiàn)時(shí)間共享。在Linux機(jī)器上，CPU要么處于受信任的內(nèi)核模式，要么處于受限制的用戶模式。除了內(nèi)核本身處于內(nèi)核模式以外，所有的用戶進(jìn)程都運(yùn)行在用戶模式之中。

內(nèi)核模式的代碼可以無限制地訪問所有處理器指令集以及全部?jī)?nèi)存和I/O空間。如果用戶模式的進(jìn)程要享有此特權(quán)，它必須通過系統(tǒng)調(diào)用向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序或其他內(nèi)核模式的代碼發(fā)出請(qǐng)求。另外，用戶模式的代碼允許發(fā)生缺頁(yè)，而內(nèi)核模式的代碼則不允許。

在2.4和更早的內(nèi)核中，僅僅用戶模式的進(jìn)程可以被上下文切換出局，由其他進(jìn)程搶占。除非發(fā)生以下兩種情況，否則內(nèi)核模式代碼可以一直獨(dú)占CPU：

(1) 它自愿放棄CPU;

(2) 發(fā)生中斷或異常。

2.6內(nèi)核引入了內(nèi)核搶占，大多數(shù)內(nèi)核模式的代碼也可以被搶占。

3) 怎樣申請(qǐng)大塊內(nèi)核內(nèi)存?

在Linux內(nèi)核環(huán)境下，申請(qǐng)大塊內(nèi)存的成功率隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加而減少，雖然可以通過vmalloc系列調(diào)用申請(qǐng)物理不連續(xù)但虛擬地址連續(xù)的內(nèi)存，但畢竟其使用效率不高且在32位系統(tǒng)上vmalloc的內(nèi)存地址空間有限。所以，一般的建議是在系統(tǒng)啟動(dòng)階段申請(qǐng)大塊內(nèi)存，但是其成功的概率也只是比較高而已，而不是100%。如果程序真的比較在意這個(gè)申請(qǐng)的成功與否，只能退用“啟動(dòng)內(nèi)存”(Boot Memory)。下面就是申請(qǐng)并導(dǎo)出啟動(dòng)內(nèi)存的一段示例代碼：

void* x_bootmem = NULL;

EXPORT_SYMBOL(x_bootmem);

unsigned long x_bootmem_size = 0;

EXPORT_SYMBOL(x_bootmem_size);

staTIc int __init x_bootmem_setup(char *str)

{

x_bootmem_size = memparse(str， &str);

x_bootmem = alloc_bootmem(x_bootmem_size);

printk(“Reserved %lu bytes from %p for xn”， x_bootmem_size， x_bootmem);

return 1;

}

__setup(“x-bootmem=”， x_bootmem_setup);

可見其應(yīng)用還是比較簡(jiǎn)單的，不過利弊總是共生的，它不可避免也有其自身的限制：

內(nèi)存申請(qǐng)代碼只能連接進(jìn)內(nèi)核，不能在模塊中使用。

被申請(qǐng)的內(nèi)存不會(huì)被頁(yè)分配器和slab分配器所使用和統(tǒng)計(jì)，也就是說它處于系統(tǒng)的可見內(nèi)存之外，即使在將來的某個(gè)地方你釋放了它。

一般用戶只會(huì)申請(qǐng)一大塊內(nèi)存，如果需要在其上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的內(nèi)存管理則需要自己實(shí)現(xiàn)。

在不允許內(nèi)存分配失敗的場(chǎng)合，通過啟動(dòng)內(nèi)存預(yù)留內(nèi)存空間將是我們唯一的選擇。

4) 用戶進(jìn)程間通信主要哪幾種方式?

(1)管道(Pipe)：管道可用于具有親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信，允許一個(gè)進(jìn)程和另一個(gè)與它有共同祖先的進(jìn)程之間進(jìn)行通信。

(2)命名管道(named pipe)：命名管道克服了管道沒有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它還允許無親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信。命名管道在文件系統(tǒng)中有對(duì)應(yīng)的文件名。命名管道通過命令mkfifo或系統(tǒng)調(diào)用mkfifo來創(chuàng)建。

(3)信號(hào)(Signal)：信號(hào)是比較復(fù)雜的通信方式，用于通知接受進(jìn)程有某種事件發(fā)生，除了用于進(jìn)程間通信外，進(jìn)程還可以發(fā)送信號(hào)給進(jìn)程本身;linux除了支持Unix早期信號(hào)語義函數(shù)sigal外，還支持語義符合Posix.1標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)函數(shù)sigacTIon(實(shí)際上，該函數(shù)是基于BSD的，BSD為了實(shí)現(xiàn)可靠信號(hào)機(jī)制，又能夠統(tǒng)一對(duì)外接口，用sigacTIon函數(shù)重新實(shí)現(xiàn)了signal函數(shù))。

(4)消息(Message)隊(duì)列：消息隊(duì)列是消息的鏈接表，包括Posix消息隊(duì)列system V消息隊(duì)列。有足夠權(quán)限的進(jìn)程可以向隊(duì)列中添加消息，被賦予讀權(quán)限的進(jìn)程則可以讀走隊(duì)列中的消息。消息隊(duì)列克服了信號(hào)承載信息量少，管道只能承載無格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺

(5)共享內(nèi)存：使得多個(gè)進(jìn)程可以訪問同一塊內(nèi)存空間，是最快的可用IPC形式。是針對(duì)其他通信機(jī)制運(yùn)行效率較低而設(shè)計(jì)的。往往與其它通信機(jī)制，如信號(hào)量結(jié)合使用，來達(dá)到進(jìn)程間的同步及互斥。

(6)信號(hào)量(semaphore)：主要作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程不同線程之間的同步手段。

(7)套接字(Socket)：更為一般的進(jìn)程間通信機(jī)制，可用于不同機(jī)器之間的進(jìn)程間通信。起初是由Unix系統(tǒng)的BSD分支開發(fā)出來的，但現(xiàn)在一般可以移植到其它類Unix系統(tǒng)上：Linux和System V的變種都支持套接字。

5) 通過伙伴系統(tǒng)申請(qǐng)內(nèi)核內(nèi)存的函數(shù)有哪些?

在物理頁(yè)面管理上實(shí)現(xiàn)了基于區(qū)的伙伴系統(tǒng)(zone based buddy system)。對(duì)不同區(qū)的內(nèi)存使用單獨(dú)的伙伴系統(tǒng)(buddy system)管理，而且獨(dú)立地監(jiān)控空閑頁(yè)。相應(yīng)接口alloc_pages(gfp_mask， order)，_ _get_free_pages(gfp_mask， order)等。

6) 通過slab分配器申請(qǐng)內(nèi)核內(nèi)存的函數(shù)有?

7) Linux的內(nèi)核空間和用戶空間是如何劃分的(以32位系統(tǒng)為例)?

8) vmalloc()申請(qǐng)的內(nèi)存有什么特點(diǎn)?

9) 用戶程序使用malloc()申請(qǐng)到的內(nèi)存空間在什么范圍?

10) 在支持并使能MMU的系統(tǒng)中，Linux內(nèi)核和用戶程序分別運(yùn)行在物理地址模式還是虛擬地址模式?

11) ARM處理器是通過幾級(jí)也表進(jìn)行存儲(chǔ)空間映射的?

12) Linux是通過什么組件來實(shí)現(xiàn)支持多種文件系通的?

13) Linux虛擬文件系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有哪些?(至少寫出四個(gè))

14) 對(duì)文件或設(shè)備的操作函數(shù)保存在那個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中?

15) Linux中的文件包括哪些?

16) 創(chuàng)建進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用有那些?

17) 調(diào)用schedule()進(jìn)行進(jìn)程切換的方式有幾種?

18) Linux調(diào)度程序是根據(jù)進(jìn)程的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)還是靜態(tài)優(yōu)先級(jí)來調(diào)度進(jìn)程的?

19) 進(jìn)程調(diào)度的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是哪個(gè)?

20) 如何加載、卸載一個(gè)模塊?

21) 模塊和應(yīng)用程序分別運(yùn)行在什么空間?

22) Linux中的浮點(diǎn)運(yùn)算由應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)還是內(nèi)核實(shí)現(xiàn)?

23) 模塊程序能否使用可鏈接的庫(kù)函數(shù)?

24) TLB中緩存的是什么內(nèi)容?

25) Linux中有哪幾種設(shè)備?

26) 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是哪個(gè)?

27) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括哪些功能函數(shù)?

28) 如何唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)設(shè)備?

29) Linux通過什么方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用?

30) Linux軟中斷和工作隊(duì)列的作用是什么?