嵌入式Linux内核开发必须了解的三十道题 |
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Linux的同步机制从2.0到2.6以来不断发展完善。从最初的原子操作,到后来的信号量,从大内核锁到今天的自旋锁。这些同步机制的发展伴随Linux从单处理器到对称多处理器的过渡。 伴随着从非抢占内核到抢占内核的过度。Linux的锁机制越来越有效,也越来越复杂。 1)Linux的内核锁主要是自旋锁和信号量。 自旋锁最多只能被一个可执行线程持有,如果一个执行线程试图请求一个已被争用(已经被持有)的自旋锁,那么这个线程就会一直进行忙循环——旋转——等待锁重新可用。要是锁未被争用,请求它的执行线程便能立刻得到它并且继续进行。自旋锁可以在任何时刻防止多于一个的执行线程同时进入临界区。 Linux中的信号量是一种睡眠锁。如果有一个任务试图获得一个已被持有的信号量时,信号量会将其推入等待队列,然后让其睡眠。这时处理器获得自由去执行其它代码。当持有信号量的进程将信号量释放后,在等待队列中的一个任务将被唤醒,从而便可以获得这个信号量。 信号量的睡眠特性,使得信号量适用于锁会被长时间持有的情况;只能在进程上下文中使用,因为中断上下文中是不能被调度的;另外当代码持有信号量时,不可以再持有自旋锁。 Linux 内核中的同步机制:原子操作、信号量、读写信号量和自旋锁的API,另外一些同步机制,包括大内核锁、读写锁、大读者锁、RCU (Read-Copy Update,顾名思义就是读-拷贝修改),和顺序锁。
2) Linux中的用户模式和内核模式是什么含意? MS-DOS等操作系统在单一的CPU模式下运行,但是一些类Unix的操作系统则使用了双模式,可以有效地实现时间共享。在Linux机器上,CPU要么处于受信任的内核模式,要么处于受限制的用户模式。除了内核本身处于内核模式以外,所有的用户进程都运行在用户模式之中。 在2.4和更早的内核中,仅仅用户模式的进程可以被上下文切换出局,由其他进程抢占。除非发生以下两种情况,否则内核模式代码可以一直独占CPU: (1) 它自愿放弃CPU; (2) 发生中断或异常。 2.6内核引入了内核抢占,大多数内核模式的代码也可以被抢占。 3) 怎样申请大块内核内存? 在Linux内核环境下,申请大块内存的成功率随着系统运行时间的增加而减少,虽然可以通过vmalloc系列调用申请物理不连续但虚拟地址连续的内存,但毕竟其使用效率不高且在32位系统上vmalloc的内存地址空间有限。所以,一般的建议是在系统启动阶段申请大块内存,但是其成功的概率也只是比较高而已,而不是100%。如果程序真的比较在意这个申请的成功与否,只能退用“启动内存”(Boot Memory)。下面就是申请并导出启动内存的一段示例代码: void* x_bootmem = NULL; EXPORT_SYMBOL(x_bootmem); unsigned long x_bootmem_size = 0; EXPORT_SYMBOL(x_bootmem_size); staTIc int __init x_bootmem_setup(char *str) { x_bootmem_size = memparse(str, &str); x_bootmem = alloc_bootmem(x_bootmem_size); printk(“Reserved %lu bytes from %p for x\n”, x_bootmem_size, x_bootmem); return 1; } __setup(“x-bootmem=”, x_bootmem_setup); 可见其应用还是比较简单的,不过利弊总是共生的,它不可避免也有其自身的限制: 内存申请代码只能连接进内核,不能在模块中使用。 被申请的内存不会被页分配器和slab分配器所使用和统计,也就是说它处于系统的可见内存之外,即使在将来的某个地方你释放了它。 一般用户只会申请一大块内存,如果需要在其上实现复杂的内存管理则需要自己实现。 在不允许内存分配失败的场合,通过启动内存预留内存空间将是我们唯一的选择。 4) 用户进程间通信主要哪几种方式? (1)管道(Pipe):管道可用于具有亲缘关系进程间的通信,允许一个进程和另一个与它有共同祖先的进程之间进行通信。 (2)命名管道(named pipe):命名管道克服了管道没有名字的限制,因此,除具有管道所具有的功能外,它还允许无亲缘关系进程间的通信。命名管道在文件系统中有对应的文件名。命名管道通过命令mkfifo或系统调用mkfifo来创建。 (3)信号(Signal):信号是比较复杂的通信方式,用于通知接受进程有某种事件发生,除了用于进程间通信外,进程还可以发送信号给进程本身;linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外,还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigacTIon(实际上,该函数是基于BSD的,BSD为了实现可靠信号机制,又能够统一对外接口,用sigacTIon函数重新实现了signal函数)。 (4)消息(Message)队列:消息队列是消息的链接表,包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息,被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少,管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺 (5)共享内存:使得多个进程可以访问同一块内存空间,是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制,如信号量结合使用,来达到进程间的同步及互斥。 (6)信号量(semaphore):主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。 (7)套接字(Socket):更为一般的进程间通信机制,可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的,但现在一般可以移植到其它类Unix系统上:Linux和System V的变种都支持套接字。 5) 通过伙伴系统申请内核内存的函数有哪些? 在物理页面管理上实现了基于区的伙伴系统(zone based buddy system)。对不同区的内存使用单独的伙伴系统(buddy system)管理,而且独立地监控空闲页。相应接口alloc_pages(gfp_mask, order),_ _get_free_pages(gfp_mask, order)等。 6) 通过slab分配器申请内核内存的函数有? 7) Linux的内核空间和用户空间是如何划分的(以32位系统为例)? 8) vmalloc()申请的内存有什么特点? 9) 用户程序使用malloc()申请到的内存空间在什么范围? 10) 在支持并使能MMU的系统中,Linux内核和用户程序分别运行在物理地址模式还是虚拟地址模式? 11) ARM处理器是通过几级也表进行存储空间映射的? 12) Linux是通过什么组件来实现支持多种文件系通的? 13) Linux虚拟文件系统的关键数据结构有哪些?(至少写出四个) 14) 对文件或设备的操作函数保存在那个数据结构中? 15) Linux中的文件包括哪些? 16) 创建进程的系统调用有那些? 17) 调用schedule()进行进程切换的方式有几种? 18) Linux调度程序是根据进程的动态优先级还是静态优先级来调度进程的? 19) 进程调度的核心数据结构是哪个? 20) 如何加载、卸载一个模块? 21) 模块和应用程序分别运行在什么空间? 22) Linux中的浮点运算由应用程序实现还是内核实现? 23) 模块程序能否使用可链接的库函数? 24) TLB中缓存的是什么内容? 25) Linux中有哪几种设备? 26) 字符设备驱动程序的关键数据结构是哪个? 27) 设备驱动程序包括哪些功能函数? 28) 如何唯一标识一个设备? 29) Linux通过什么方式实现系统调用? 30) Linux软中断和工作队列的作用是什么? |
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