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Linux 内核概述（一）

分类：linux| 发布时间：2025-01-21 12:50:00

Unix内核提供了一个执行环境，应用程序可以在其中运行。 因此，内核必须实现一组服务和相应的接口。应用程序通过这些接口进行交互，通常不会直接与硬件资源交互。

进程/内核模型

CPU可以在用户模式（User Mode）或内核模式（Kernel Mode）下运行。 实际上，一些 CPU 可能有超过两种执行状态。 例如，80x86 微处理器有四种不同的执行状态。但所有标准的 Unix 内核只使用内核模式和用户模式。

当程序在用户模式下执行时，它不能直接访问内核数据结构或内核程序。 然而，当应用程序在内核模式下执行时，这些限制就不再适用。 每种CPU型号都提供特殊指令，用于在用户模式和内核模式之间切换。 程序通常在用户模式下执行，只有在请求内核提供的服务时，才会切换到内核模式。 当内核满足了程序的请求后，它会将程序切换回用户模式。

进程是动态实体，通常在系统中有一个有限的生命周期。 创建、消除和同步现有进程的任务由内核中的一组例程处理。

内核本身不是一个进程，而是一个进程管理器。 进程/内核模型假定，所有需要内核服务的进程使用一种叫做系统调用（system calls）的特定编程结构。 每个系统调用都会设置一组参数，用以标识进程请求，然后执行硬件相关的 CPU 指令，将程序从用户模式切换到内核模式。

除了用户进程，Unix系统还包括一些特权进程，称为内核线程，具有以下特点：

• 它们在内核模式下运行，并处于内核地址空间中。
• 它们不与用户交互，因此不需要终端设备。
• 它们通常在系统启动时创建，并在系统关闭之前一直存在。

在单处理器系统上，任何时候只有一个进程在运行，它可以在用户模式或内核模式下运行。 如果它在内核模式下运行，处理器正在执行某个内核例程。 图 1 展示了用户模式和内核模式之间切换的示例。 进程 1 在用户模式下发出系统调用，之后进程切换到内核模式，系统调用被服务。 进程 1 随后在用户模式下继续执行，直到发生定时器中断，调度程序在内核模式下被激活。 进程切换发生，进程 2 开始在用户模式下执行，直到硬件设备触发中断。 由于中断，进程 2 切换到内核模式并处理该中断。

Unix内核的功能不仅仅是处理系统调用；实际上，内核例程可以通过多种方式被激活：

• 一个进程调用系统调用。
• 执行进程的 CPU 发出异常信号，这是一种异常情况，例如无效指令。内核代表引发异常的进程处理该异常。
• 外围设备向 CPU 发出中断信号，以通知它发生了某些事件，如请求注意、状态变化或I/O操作完成。每个中断信号由一个称为中断处理程序的内核程序处理。由于外围设备与 CPU 异步操作，中断在不可预测的时刻发生。
• 一个内核线程被执行。由于它在内核模式下运行，相关程序必须视为内核的一部分。

进程实现

为了让内核管理进程，每个进程都由一个进程描述符表示，进程描述符包含有关进程当前状态的信息。

当内核停止执行一个进程时，它会将多个处理器寄存器的当前内容保存在进程描述符中。这些寄存器包括：

• 程序计数器（PC）和栈指针（SP）寄存器
• 通用寄存器
• 浮点寄存器
• 处理器控制寄存器（处理器状态字），包含关于 CPU 状态的信息
• 内存管理寄存器，用于跟踪进程访问的RAM

当内核决定恢复执行一个进程时，它会使用适当的进程描述符字段来加载 CPU 寄存器。 由于程序计数器的存储值指向最后执行指令之后的指令，进程会从停止的位置继续执行。

当进程没有在 CPU 上执行时，它在等待某个事件。 Unix内核区分了许多等待状态，这些状态通常通过进程描述符的队列来实现；每个（可能为空的）队列对应于一组等待特定事件的进程。