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Linux内核设计与实现(5) 定时器、时间管理和内存管理

2016-10-26

内核需要管理相对时间和绝对时间 硬件为内核提供了一个系统定时器用以计算流逝的时间,它以某种频率自行触发时间中断,该频率可以通过编程预定,称作节拍率 时间的作用。

0x00 内核中的时间概念

内核需要管理相对时间和绝对时间 硬件为内核提供了一个系统定时器用以计算流逝的时间,它以某种频率自行触发时间中断,该频率可以通过编程预定,称作节拍率 时间的作用:
更新系统时间 更新实际时间 定期均衡运行队列(SMP) 时间片 定期统计处理器时间

0x01 Linux 中的时间表示

I 节拍率(Hz)

II jiffies

全局变量 jiffies 用来记录自系统启动以来产生的节拍的总数,定义于

unsigned long timeout = jiffies + HZ / 2; /*0.5秒后超时*/

if(time_before(jiffies, timeout)){
  /*没有超时,很好*/
}else{
  /*超时,发生错误*/
}

0x02 硬件时钟和定时器

体系结构中提供了两种设备进行计时:

系统定时器:提供了一种周期性触发中断机制 实时时钟:用来持久存放系统时间的设备

0x03 Linux 下的时钟中断

I 时钟中断处理程序做的工作

获得 xtime_lock 锁,对 jiffies_64 和 xtime 进行保护

应答或重新设置系统时钟

周期性使用墙上时间更新实时时钟

调用体系结构无关的时钟例程: do_timer()

II do_timer()

jiffies + 1 更新资源消耗的统计值 执行到期的动态定时器 执行 scheduler_tick() 更新墙上时间并存到 xtime 变量中 计算平均负载值

III 从用户空间获取时间

gettimeofday(): 对应系统调用 sys_gettimeofday()

0x04 Linux 内存页

I 内核分配内存特点

内核使用的内存空间有限 内核不支持便捷的内存分配方式 处理内存分配错误难度大 内核分配机制不能太复杂

II 页

内核以物理页为单位分配内存 物理页的大小取决于体系结构 page 结构体(定义于
    struct page{
  unsigned long flags; //存放页的状态
  atomic_t _count; //存放页的引用计数
  atomic_t _mapcount;
  unsigned long private;
  struct address_space *mapping;
  pgoff_t index;
  struct list_head lru;
  void *virtual; //页的虚拟地址
}    

0x05 Linux 内存区

由于硬件的限制,内核并不能对所有的页一样看待,内核需要对页进行分类,分不同区域

Linux 必需处理 2 种由于硬件存在缺陷而引起的内存寻址问题:
一些硬件只能用某些特定的内存地址来执行DMA(Direct Memory Access) 一些体系结构的内存的物理寻址范围比虚拟内存大得多,导致一些内存不能总是映射到内核空间 Linux 主要使用了 4 种区:
ZONE_DMA: 该区页面用来执行 DMA ZONE_DMA32: 用于 32 位设备执行 DMA ZONE_NORMAL:该区页面都能正常映射 ZONE_HIGHEM:该区包含“高端内存”,这里的页不能永久映射到内核空间

0x06 内存管理提供的服务

I 获得页

alloc_pages() page_address(struct page* page) __get_free_pages() alloc_page() __get_free_page()

II 获得填充为 0 的页

get_zeroed_page()

III 释放页

__free_pages() free_pages() free_page()

IV kmalloc()

用于获得以字节为单位的一块连续内存空间:

     void *kmalloc (size_t size, gfp_t flags)   

V kfree()

该函数用于释放 kmalloc() 分配出的内存块:

    void kfree(const void *ptr)    

VI vmalloc()

类似 kmalloc(), 但分配的内存空间不连续,释放使用 vfree()

VII slab 层

即 slab 分配器,它扮演了通用数据结构缓存层的角色,是一种缓存机制

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