linux内核基础

⑴ linux内核同步问题

Linux内核设计与实现 十、内核同步方法

手把手教Linux驱动5-自旋锁、信号量、互斥体概述

== 基础概念： ==

并发 ：多个执行单元同时进行或多个执行单元微观串行执行，宏观并行执行

竞态 ：并发的执行单元对共享资源（硬件资源和软件上的全局变量）的访问而导致的竟态状态。

临界资源 ：多个进程访问的资源

临界区 ：多个进程访问的代码段

== 并发场合： ==

1、单CPU之间进程间的并发 :时间片轮转，调度进程。 A进程访问打印机，时间片用完，OS调度B进程访问打印机。

2、单cpu上进程和中断之间并发 ：CPU必须停止当前进程的执行中断;

3、多cpu之间

4、单CPU上中断之间的并发

== 使用偏向： ==

==信号量用于进程之间的同步，进程在信号量保护的临界区代码里面是可以睡眠的（需要进行进程调度），这是与自旋锁最大的区别。==

信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。它负责协调各个进程，以保证他们能够正确、合理的使用公共资源。它和spin lock最大的不同之处就是：无法获取信号量的进程可以睡眠，因此会导致系统调度。

1、==用于进程与进程之间的同步==

2、==允许多个进程进入临界区代码执行，临界区代码允许睡眠；==

3、信号量本质是==基于调度器的==，在UP和SMP下没有区别；进程获取不到信号量将陷入休眠，并让出CPU；

4、不支持进程和中断之间的同步

5、==进程调度也是会消耗系统资源的，如果一个int型共享变量就需要使用信号量，将极大的浪费系统资源==

6、信号量可以用于多个线程，用于资源的计数（有多种状态）

==信号量加锁以及解锁过程：==

sema_init(&sp->dead_sem, 0); / 初始化 /

down(&sema);

临界区代码

up(&sema);

==信号量定义：==

==信号量初始化：==

==dowm函数实现：==

==up函数实现：==

信号量一般可以用来标记可用资源的个数。

举2个生活中的例子：

==dowm函数实现原理解析：==

（1）down

判断sem->count是否 > 0，大于0则说明系统资源够用，分配一个给该进程，否则进入__down(sem);

（2）__down

调用__down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);其中TASK_UNINTERRUPTIBLE=2代表进入睡眠，且不可以打断；MAX_SCHEDULE_TIMEOUT休眠最长LONG_MAX时间；

（3）list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);

把当前进程加入到sem->wait_list中；

（3）先解锁后加锁;

进入__down_common前已经加锁了，先把解锁，调用schele_timeout(timeout)，当waiter.up=1后跳出for循环；退出函数之前再加锁；

Linux内核ARM构架中原子变量的底层实现研究

rk3288 原子操作和原子位操作

原子变量适用于只共享一个int型变量；

1、原子操作是指不被打断的操作，即它是最小的执行单位。

2、最简单的原子操作就是一条条的汇编指令(不包括一些伪指令，伪指令会被汇编器解释成多条汇编指令)

==常见函数：==

==以atomic_inc为例介绍实现过程==

在Linux内核文件archarmincludeasmatomic.h中。 执行atomic_read、atomic_set这些操作都只需要一条汇编指令，所以它们本身就是不可打断的。 需要特别研究的是atomic_inc、atomic_dec这类读出、修改、写回的函数。

所以atomic_add的原型是下面这个宏：

atomic_add等效于：

result（%0） tmp（%1） (v->counter)（%2） (&v->counter)（%3） i（%4）

注意：根据内联汇编的语法，result、tmp、&v->counter对应的数据都放在了寄存器中操作。如果出现上下文切换，切换机制会做寄存器上下文保护。

（1）ldrex %0, [%3]

意思是将&v->counter指向的数据放入result中，并且（分别在Local monitor和Global monitor中）设置独占标志。

（2）add %0, %0, %4

result = result + i

（3）strex %1, %0, [%3]

意思是将result保存到&v->counter指向的内存中， 此时 Exclusive monitors会发挥作用，将保存是否成功的标志放入tmp中。

（4） teq %1, #0

测试strex是否成功（tmp == 0 ？？）

（5）bne 1b

如果发现strex失败，从（1）再次执行。

Spinlock 是内核中提供的一种比较常见的锁机制，==自旋锁是“原地等待”的方式解决资源冲突的==，即，一个线程获取了一个自旋锁后，另外一个线程期望获取该自旋锁，获取不到，只能够原地“打转”（忙等待）。由于自旋锁的这个忙等待的特性，注定了它使用场景上的限制 —— 自旋锁不应该被长时间的持有（消耗 CPU 资源），一般应用在==中断上下文==。

1、spinlock是一种死等机制

2、信号量可以允许多个执行单元进入，spinlock不行，一次只能允许一个执行单元获取锁，并且进入临界区，其他执行单元都是在门口不断的死等

3、由于不休眠，因此spinlock可以应用在中断上下文中；

4、由于spinlock死等的特性，因此临界区执行代码尽可能的短；

==spinlock加锁以及解锁过程：==

spin_lock(&devices_lock);

临界区代码

spin_unlock(&devices_lock);

==spinlock初始化==

==进程和进程之间同步==

==本地软中断之间同步==

==本地硬中断之间同步==

==本地硬中断之间同步并且保存本地中断状态==

==尝试获取锁==

== arch_spinlock_t结构体定义如下： ==

== arch_spin_lock的实现如下： ==

lockval（%0） newval（%1） tmp（%2） &lock->slock（%3） 1 << TICKET_SHIFT（%4）

（1）ldrex %0, [%3]

把lock->slock的值赋值给lockval；并且（分别在Local monitor和Global monitor中）设置独占标志。

（2）add %1, %0, %4

newval =lockval +（1<<16）; 相当于next+1；

（3）strex %2, %1, [%3]

newval =lockval +（1<<16）; 相当于next+1；

意思是将newval保存到 &lock->slock指向的内存中， 此时 Exclusive monitors会发挥作用，将保存是否成功的标志放入tmp中。

（4） teq %2, #0

测试strex是否成功

（5）bne 1b

如果发现strex失败，从（1）再次执行。

通过上面的分析，可知关键在于strex的操作是否成功的判断上。而这个就归功于ARM的Exclusive monitors和ldrex/strex指令的机制。

（6）while (lockval.tickets.next != lockval.tickets.owner)

如何lockval.tickets的next和owner是否相等。相同则跳出while循环，否则在循环内等待判断；

* （7）wfe()和smp_mb() 最终调用#define barrier() asm volatile ("": : :"memory") *

阻止编译器重排，保证编译程序时在优化屏障之前的指令不会在优化屏障之后执行。

== arch_spin_unlock的实现如下： ==

退出锁时：tickets.owner++

== 出现死锁的情况： ==

1、拥有自旋锁的进程A在内核态阻塞了，内核调度B进程，碰巧B进程也要获得自旋锁，此时B只能自旋转。 而此时抢占已经关闭，（单核）不会调度A进程了，B永远自旋，产生死锁。

2、进程A拥有自旋锁，中断到来，CPU执行中断函数，中断处理函数，中断处理函数需要获得自旋锁，访问共享资源，此时无法获得锁，只能自旋，产生死锁。

== 如何避免死锁： ==

1、如果中断处理函数中也要获得自旋锁，那么驱动程序需要在拥有自旋锁时禁止中断；

2、自旋锁必须在可能的最短时间内拥有

3、避免某个获得锁的函数调用其他同样试图获取这个锁的函数，否则代码就会死锁；不论是信号量还是自旋锁，都不允许锁拥有者第二次获得这个锁，如果试图这么做，系统将挂起；

4、锁的顺序规则（a) 按同样的顺序获得锁；b) 如果必须获得一个局部锁和一个属于内核更中心位置的锁，则应该首先获取自己的局部锁 ;c) 如果我们拥有信号量和自旋锁的组合，则必须首先获得信号量；在拥有自旋锁时调用down(可导致休眠)是个严重的错误的；）

== rw（read/write）spinlock： ==

加锁逻辑：

1、假设临界区内没有任何的thread，这个时候任何的读线程和写线程都可以键入

2、假设临界区内有一个读线程，这时候信赖的read线程可以任意进入，但是写线程不能进入；

3、假设临界区有一个写线程，这时候任何的读、写线程都不可以进入；

4、假设临界区内有一个或者多个读线程，写线程不可以进入临界区，但是写线程也无法阻止后续的读线程继续进去，要等到临界区所有的读线程都结束了，才可以进入，可见：==rw（read/write）spinlock更加有利于读线程；==

== seqlock（顺序锁）： ==

加锁逻辑：

1、假设临界区内没有任何的thread，这个时候任何的读线程和写线程都可以键入

2、假设临界区内没有写线程的情况下，read线程可以任意进入；

3、假设临界区有一个写线程，这时候任何的读、写线程都不可以进入；

4、假设临界区内只有read线程的情况下，写线程可以理解执行，不会等待，可见：==seqlock（顺序锁）更加有利于写线程；==

读写速度 ： CPU > 一级缓存 > 二级缓存 > 内存 ，因此某一个CPU0的lock修改了，其他的CPU的lock就会失效；那么其他CPU就会依次去L1 L2和主存中读取lock值，一旦其他CPU去读取了主存，就存在系统性能降低的风险；

mutex用于互斥操作。

互斥体只能用于一个线程，资源只有两种状态（占用或者空闲）

1、mutex的语义相对于信号量要简单轻便一些，在锁争用激烈的测试场景下，mutex比信号量执行速度更快，可扩展

性更好，

2、另外mutex数据结构的定义比信号量小;、

3、同一时刻只有一个线程可以持有mutex

4、不允许递归地加锁和解锁

5、当进程持有mutex时，进程不可以退出。

• mutex必须使用官方API来初始化。

• mutex可以睡眠，所以不允许在中断处理程序或者中断下半部中使用，例如tasklet、定时器等

==常见操作：==

struct mutex mutex_1;

mutex_init(&mutex_1);

mutex_lock(&mutex_1)

临界区代码；

mutex_unlock(&mutex_1)

==常见函数：==

=

⑵ 什么是linux kernel有什么作用

Linux内核（英语：Linux kernel）是一种开源的类Unix操作系统宏内核。

工作于平板电脑、智能手机及智能手表的Android操作系统同样通过Linux内核提供的服务完成自身功能。

一个计算机系统是一个硬件和软件的共生体，它们互相依赖，不可分割。计算机的硬件，含有外围设备、处理器、内存、硬盘和其他的电子设备组成计算机的发动机。但是没有软件来操作和控制它，自身是不能工作的。

完成这个控制工作的软件就称为操作系统，在Linux的术语中被称为“内核”，也可以称为“核心”。Linux内核的主要模块（或组件）分以下几个部分：存储管理、CPU和进程管理、文件系统、设备管理和驱动、网络通信，以及系统的初始化（引导）、系统调用等。

整个Linux操作系统家族基于该内核部署在传统计算机平台（如个人计算机和服务器，以Linux发行版的形式）和各种嵌入式平台，如路由器、无线接入点、专用小交换机、机顶盒、FTA接收器、智能电视、数字视频录像机、网络附加存储（NAS）等。

工作于平板电脑、智能手机及智能手表的Android操作系统同样通过Linux内核提供的服务完成自身功能。尽管于桌面电脑的占用率较低，基于Linux的操作系统统治了几乎从移动设备到主机的其他全部领域。截至2017年11月，世界前500台最强的超级计算机全部使用Linux。

(2)linux内核基础扩展阅读：

编程语言

Linux是用C语言中的GCC版（这种C语言有对标准C进行扩展）写的，还有几个用汇编语言（用的是GCC的"AT&T风格"）写的目标架构短段。因为要支持扩展的C语言，GCC在很长的时间里是唯一一个能正确编译Linux的编译器。

有许多其他的语言用在一些方面上，主要集中在内核构建过程中（这里指从源代码创建可引导镜像）。包括Perl、Python和多种脚本语言。有一些驱动可能是用C++、Fortran或其他语言写的，但是这样是强烈不建议的。

编译器兼容性

GCC是Linux内核源代码的缺省编译器。在2004年，Intel主张通过修改内核，以便Intel C++编译器能正确编译内核。在2009年，有通过修改内核2.6.22版而成功编译的报告（并带来平均8-9%性能增长）。

自从2010年，已经开始进行使用Clang建造Linux内核的努力，Clang是一个可作为替代的C语言编译器；截止2014年4月12日，官方内核几乎可以完全用Clang编译。致力于这个目标的计划叫做“LLVMLinux”，得名于Clang所基于的LLVM编译器下部构造。

LLVMLinux不意图复制Linux内核或LLVM，因此它是由最终提交给上游计划的补丁构成的一个元计划。使Linux内核可以用Clang编译最大的好处是比GCC有更快的编译速度，内核开发者可以得益于由此而来的更快的工作流程

⑶ Linux 该怎么入门呢

入门的话找本不用太厚，你能看懂的书来学习，再厚你看不懂，掌握不了方法也是白搭。
我看过同事以前培训教材，某某青鸟的linux书，里面是关于Centos6系统的一些介绍，
基本上都是简单易学，学习一些方法还是可以的。

但是要注意Centos7以后的命令语法，有部分改变了不少，甚至完全不太一样，
建议从7开始学吧。

另外就是对着书不停地练习，不管是学习使用命令，还是修改配置文档，过程中会遇到各种各样的问题，
遇到问题解决问题，不管是翻书还是网上网络，直到把问题解决了，掌握的知识点要做好笔记，不断
地积累，学习一段时间，你就会感觉即使用遇到新问题都有办法解决。

linux种类有不少，Centos是跟redhand有点类似的，其它的还有ubuntu,debian,
国产的还有UOS,deepin等等，基本命令都差不多，也有些是自身系统特定的格式，
不过都差不多。看你只是学习，还是以后工作也要使用的，找一个适合自己的来入门。

⑷ linux版本的发行版和内核版是什么意思

Linux内核是Linux操作系统创始人主持的网站www.kernel.org上发布的操作系统的最基本的那些东西。

Linux发行版则是前述那些东慧宏孝西的基础上添加了一些工具软件的绝橘基础上构成的一套庞大复杂的操作系统。虽然内核都是一样的，但添加部分各不相同，这就构成了不同的发行版本。

Linux本身指的是一个操作系统内核，只有内核是无法直接使用的。我们需要的，可以使用的操作系统是一个包含了内核和一批有用的程序的的一个集合体，这个就是Linux发行版。

其中，Ubuntu。RedHat就是Linux的不同的发行版。

(4)linux内核基础扩展阅读：

Linux系统的主要特性

1、基本思想

Linux的基本思想有两点：第一，一切都是文件；第二，每个软件都有确定的用途。其中第一条详细来讲就是系统中的所有都归结为一个文件，包括命令、硬件和软件设备、操作系统、进程前稿等等对于操作系统内核而言，都被视为拥有各自特性或类型的文件。至于说Linux是基于Unix的，很大程度上也是因为这两者的基本思想十分相近。

Linux是一款免费的操作系统，用户可以通过网络或其他途径免费获得，并可以任意修改其源代码。这是其他的操作系统所做不到的。正是由于这一点，来自全世界的无数程序员参与了Linux的修改、编写工作，程序员可以根据自己的兴趣和灵感对其进行改变，这让Linux吸收了无数程序员的精华，不断壮大。

3、完全兼容POSIX1.0标准

这使得可以在Linux下通过相应的模拟器运行常见的DOS、Windows的程序。这为用户从Windows转到Linux奠定了基础。许多用户在考虑使用Linux时，就想到以前在Windows下常见的程序是否能正常运行，这一点就消除了他们的疑虑。

4、多用户、多任务

Linux支持多用户，各个用户对于自己的文件设备有自己特殊的权利，保证了各用户之间互不影响。多任务则是现在电脑最主要的一个特点，Linux可以使多个程序同时并独立地运行。

5、良好的界面

Linux同时具有字符界面和图形界面。在字符界面用户可以通过键盘输入相应的指令来进行操作。它同时也提供了类似Windows图形界面的X-Window系统，用户可以使用鼠标对其进行操作。在X-Window环境中就和在Windows中相似，可以说是一个Linux版的Windows。

6、支持多种平台

Linux可以运行在多种硬件平台上，如具有x86、680x0、SPARC、Alpha等处理器的平台。此外Linux还是一种嵌入式操作系统，可以运行在掌上电脑、机顶盒或游戏机上。2001年1月份发布的Linux 2.4版内核已经能够完全支持Intel64位芯片架构。同时Linux也支持多处理器技术。多个处理器同时工作，使系统性能大大提高。

⑸ linux内核主要由哪几个部分组成

一个完整的Linux内核一般由5部分组成，它们分别是内存管理、进程管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络接口。

1、内存管理
内存管理主要完成的是如何合理有效地管理整个系统的物理内存，同时快速响应内核各个子系统对内存分配的请求。

Linux内存管理支持虚拟内存，而多余出的这部分内存就是通过磁盘申请得到的，平时系统只把当前运行的程序块保留在内存中，其他程序块则保留在磁盘中。在内存紧缺时，内存管理负责在磁盘和内存间交换程序块。

2、进程管理
进程管理主要控制系统进程对CPU的访问。当需要某个进程运行时，由进程调度器根据基于优先级的调度算法启动新的进程。：Linux支持多任务运行，那么如何在一个单CPU上支持多任务呢？这个工作就是由进程调度管理来实现的。

在系统运行时，每个进程都会分得一定的时间片，然后进程调度器根据时间片的不同，选择每个进程依次运行，例如当某个进程的时间片用完后，调度器会选择一个新的进程继续运行。

由于切换的时间和频率都非常的快，由此用户感觉是多个程序在同时运行，而实际上，CPU在同一时间内只有一个进程在运行，这一切都是进程调度管理的结果。

3、进程间通信
进程间通信主要用于控制不同进程之间在用户空间的同步、数据共享和交换。由于不用的用户进程拥有不同的进程空间，因此进程间的通信要借助于内核的中转来实现。

一般情况下，当一个进程等待硬件操作完成时，会被挂起。当硬件操作完成，进程被恢复执行，而协调这个过程的就是进程间的通信机制。

4、虚拟文件系统
Linux内核誉衫铅中的虚拟文件系统用一个通用的文件模型表示了各种不同的文件系统，这个文件模型屏蔽了很多具体文件系统的差异，使Linux内核支持很多不同的文件系统。

这个文件系统可以分为逻辑文件系统和设备驱动程序：逻辑文件系统指Linux所支持的文件系统，例如ext2、ext3和fat等；设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。

5、网络接口
网络接口提供了对各种网络标准的实现和各种网络硬件的支持。网络接口一般分为网络协议庆好和网络驱动程序。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议。

网络设备驱动程序则主要负责与硬件设备进行通信，每一种可能的网络硬件设备都有相应的设备驱动程序。

(5)linux内核基础扩展阅读：

Linux 操作系统的诞生、发展和成长过程始终依赖着五个重要支柱：UNIX操作系统、MINIX操作系统、GNU计划、POSIX标准和Internet 网络。

1981 年IBM公司推出微型计算机IBM PC。

1991年，GNU计划已经开发出了许多工具软件，最受期盼的GNU C编译器已经出现，GNU的操作系统核心HURD一直处于实验阶段，没有任何可用性，实质上也没能开发出完整的GNU操作系统，但是GNU奠定了Linux用户基础和开发环境。

1991年初，林纳斯·托瓦兹开始在一台386sx兼容微机上学习minix操作系统。1991年4月，林纳斯·托瓦兹开始酝酿并着手编制自己的操作系统。

1991 年4 月13 日在comp.os.minix 上发布说自己已经成功地将bash 移植到了minix 上，而且已经爱不释手、不能离开这个shell软件了。

1993年，大约有100余名程序员参与了Linux内核代码编写/修改工作，其中核心组由5人组成，此时Linux 0.99的代码大约有十万行，用户大约有10万左右。

1994年3月，Linux1.0发布，代码量17万行，当时是按照完全自由免费的协议发布，随后正式采用GPL协议。

1995年1月，Bob Young创办了RedHat（小红帽），以GNU/Linux为核心，集成了400多个源代码开放的程序模块，搞出了一种冠以品牌的Linux，即RedHat Linux,称为Linux"发行版"，在市场上出售。这在经营模式上是一种创举。

2001年1月，Linux 2.4发布，它进一步地提升了SMP系统的扩展性，同时它也集成了很多用于支持桌面系统的特性：USB，PC卡（PCMCIA）的支持，内置的即插即用，等等功能。

2003年12月，Linux 2.6版内核发布，相对于2.4版内核2.6在对系统的支持都有很大的变化。

2004年的第1月，SuSE嫁到了Novell，SCO继续顶着骂名四处强行“塌棚化缘”， Asianux， MandrakeSoft也在五年中首次宣布季度赢利。3月，SGI宣布成功实现了Linux操作系统支持256个Itanium 2处理器。