怎么進行Linux系統內核架構分析

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Linux系統中內核是一個非常重要的一部分，那么Linux內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系統內核機構，有需要的朋友可以參考一下。

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

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

3：NUMA計算機（非一致性內存訪問，non-uniform memory access）系統的各個CPU都有本地內存，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的本地內存的訪問。

4：內核會區分三種配置選項：FLATTMEM,DISCONTIGMEM,SPARSEMEM,DISCONTIGMEM.

5：內存劃分為結 點。每個節點關聯到系統中的一個處理器。在內核中表示為pg_data_t的實例。

6：各個結點又劃分為 內存域，是內存域的進一步細分。

7：

注：zonelist：指向zonelist數據結構的指針，該數據結構按照優先次序描述了適于內存分配的內存管理區。

8：

1）ZONE_DMA標記適合DMA的內存域。

2）ZONE_DMA32標記了使用32位地址字可尋址，適合DMA的內存域。

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

4）ZONE_HIGHMEM標記了超出內核段的物理內存。

5）偽內存域ZONE_MOVABLE.

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

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

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

3.2.2數據結構

1）結點管理

  pg_data_t用于表示節點的基本元素。

   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;/*物理內存頁的總數*/        unsighed long node_spanned_pages;/*物理內存頁的總數，包含洞在內*/                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是一個數組，包含了節點中各內存域的數據結構。

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

   3）節點中不同內存域的數目保存在nr_zones中

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

   5）bdata指向自舉內存分配器數據結構的實例。

   6）node_start_pfn是該NUMA節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指定了節點中頁幀的數目，node_spanned_pages則給出了該節點以頁幀 為單位計算的長度。

   8）node_id是全局節點ID。

   9）pgdat_next連接到下一個內存節點，系統中所有的內存節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，將在頁幀換出節點時會用到。

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

      kswapd_max_order用于頁交換子系統的實現，用來定義需要釋放的區域的長度。

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

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

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

2）內存域

內核使用zone結構來描述內存域。

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）若空閑頁的數目多于pages_high,則內存域的狀態是理想的

5. 2）若空閑頁的數目低于pages_low,則內核開始將頁換出到硬盤

6. 3）若空閑頁的數目低于pages_min，內存域急需空閑頁，需頁回收

7. 4）數據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：該數組分別為各種內存域指定了若干項，用于一些無論如何都不能失敗                                                             的關鍵性內存分配。

13. struct per_cpu_pageset pageset[NR_CPUS];             注：該數組用于實現每個CPU的熱/冷頁幀列表。內核使用這些列表保存可                                                              用于滿足實現的“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。

17. 注：數組元素的類型為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組項的數組構成，第一項管理熱頁。第二頁管理冷頁。

             有用的數據保存在per_cpu_pages中。

            struct per_cpu_pages{       int count;                     /*與該列表相關的頁的數目*/       int high;                      /*high是頁數上限水印，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. *不同長度的空閑區域

4. */

5. spinlock_t           lock;

6. struct free_area     free_area[MAX_OEDER];           注：是同名數據結構的數組，用于實現伙伴系統，每個數組元素都表示某種                                                             固定長度的一些連續的內存區。對于包含在每個區域中的空閑內存頁                                                              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：回收內存時需要掃描的活動頁的數目

14. unsighed long        nr_scan_inactive;                注：回收內存時需要掃描的不活動頁的數目

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

16. unsighed long        flags；                          注：描述內存域當前狀態

17.         typedef  enum {         ZONE_ALL_UNERCLAIMABLE,         /*所有的頁都已經釘住,不能回收*/         ZONE_RECLAIM_LOCKED,            /*防止并發回收*/         ZONE_OOM_LOCKED,                /*內存域即可被回收*/}zone_flags_t;

18. 
    

19. /*內存域統計量*/

20. atmoic_long_t        vm_stat[NR_VM_STAT_ITEMS];       注：維護了大量有關內存域的統計信息。輔助函數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存域的優先級。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為可用進程。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，內核會通知進程恢復工作。

26. unsighed long        wait_table_bits;

27. 
    

28. /*支持不連續內存模型的字段*/

29. struct pglist_data  *zone_pgdat;                     注：內存域和父節點之間的關聯由zone_pgdat建立，zone_pgdat指向對                                                               應的pg_list_data實例

30. unsighed long       zone_start_pfn;                  注：內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，保存該內存域的慣用名稱。3個選項可用，Normal，

37. DMA,HighMem

38. }__cacheline_maxaligned_in_smp;

3.內存域水印的計算

在計算水印之前，內核首先確定需要為關鍵性分配保留的內存空間的最小值。該值隨可用內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系統內核架構分析了，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資訊頻道。