手写linux内核,Linux内核基础知识
发布日期:2021-06-27 04:24:37 浏览次数:1 分类:技术文章

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简介

用户空间和内核空间

为了保证操作系统的稳定性和安全性。用户程序不可以直接访问硬件资源,如果用户程序需要访问硬件资源,必须调用操作系统提供的接口,这个调用接口的过程也就是系统调用。每一次系统调用都会存在两个内存空间之间的相互切换,通常的网络传输也是一次系统调用,通过网络传输的数据先是从内核空间接收到远程主机的数据,然后再 从内核空间复制到用户空间

,供用户程序使用。这种从内核空间到用户空间的数据复制很费时,虽然保住了程序运行的安全性和稳定性,但是牺牲了一部分的效率。

如何分配用户空间和内核空间的比例也是一个问题,是更多地分配给用户空间供用户程序使用,还是首先保住内核有足够的空间来运行。在当前的Windows 32位操作系统中,默认用户空间:内核空间的比例是1:1,而在32位 Linux 系统中的默认比例是3:1(3GB用户空间、1GB内核空间)(这里只是地址空间,映射到物理地址,可没有某个物理地址的内存只能存储内核态数据或用户态数据的说法)。

硬中断和软中断

内核在创建进程的时候,在创建task_struct的同时,会为进程创建相应的堆栈。每个进程会有两个栈,一个用户栈,存在于用户空间,一个内核栈,存在于内核空间。当进程在用户空间运行时,cpu堆栈指针寄存器里面的内容是用户堆栈地址,使用用户栈;当进程在内核空间时,cpu堆栈指针寄存器里面的内容是内核栈空间地址,使用内核栈。

当进程因为中断或者系统调用而陷入内核态之行时,进程所使用的堆栈也要从用户栈转到内核栈。

如何相互切换呢?

进程陷入内核态后,先把用户态堆栈的地址保存在内核栈之中,然后设置堆栈指针寄存器的内容为内核栈的地址,这样就完成了用户栈向内核栈的转换;当进程从内核态恢复到用户态执行时,在内核态执行的最后,将保存在内核栈里面的用户栈的地址恢复到堆栈指针寄存器即可。这样就实现了内核栈和用户栈的互转。

那么,我们知道从内核转到用户态时用户栈的地址是在陷入内核的时候保存在内核栈里面的,但是在陷入内核的时候,我们是如何知道内核栈的地址的呢?

关键在进程从用户态转到内核态的时候,进程的内核栈总是空的。这是因为,一旦进程从内核态返回到用户态后,内核栈中保存的信息无效,会全部恢复。因此,每次进程从用户态陷入内核的时候得到的内核栈都是空的,直接把内核栈的栈顶地址给堆栈指针寄存器就可以了。

一个进程的运行过程:

状态

用户态

内核态

用户态

代码

用户手写的程序代码,触发了系统调用

相关系统调用处理程序

可以认为cpu的使用权还在进程手中

用户手写的程序代码返回,继续执行

Java和操作系统交互细节

中断有点类似于我们经常说的事件驱动编程,而这个事件通知机制是怎么实现的呢,硬件中断的实现通过一个导线和 CPU 相连来传输中断信号,软件上会有特定的指令,例如执行系统调用创建线程的指令,而 CPU 每执行完一个指令,就会检查中断寄存器中是否有中断,如果有就取出然后执行该中断对应的处理程序。

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[***.172.111.71]2022年05月22日 09时18分31秒

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