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Linux Kernel 2

news 来源：原创 2025/9/9 8:07:46

地址空间（Address Space）

一、物理地址空间（Physical Address Space）

物理地址空间 是指 RAM 和设备内存 在系统内存总线上所呈现的地址布局。

  • 举例：在典型的 32 32 32 位 Intel 架构中，
    • RAM（主内存）通常被映射在低地址段；
    • 显卡内存或其他外设地址被映射在高地址段。

📌 解释：

  • 所谓“物理地址”是指 CPU 实际访问主板、内存条等硬件资源的地址；
  • 它由硬件总线决定，不受程序控制。

二、虚拟地址空间（Virtual Address Space）

虚拟地址空间（有时简称为“地址空间”）是指当系统开启虚拟内存管理模块（如分页机制、保护模式）后，CPU 所看到的地址空间。

  • 这时，每个地址都是一个“虚拟地址”，必须通过页表（Page Table）映射到物理内存地址。
  • 内核负责建立这种虚拟地址到物理地址的映射关系。

📌 常用术语解释：

  • “分页开启”也叫做 Paging Enabled \text{Paging Enabled} Paging Enabled，即启用了 MMU；
  • 操作系统通过页表控制不同虚拟地址段的访问权限和映射目标。

三、进程地址空间 vs 内核地址空间

1. 进程空间（Process Address Space）

这是指与每个用户态进程相关联的虚拟地址空间：

  • 通常从地址 0 0 0 开始，呈现为一块连续内存区域；
  • 包括代码段（text）、数据段（data）、堆（heap）和栈（stack）等；
  • 不同进程之间的地址空间互相独立，彼此不可见。

2. 内核空间（Kernel Address Space）

这是内核模式代码看到的地址空间：

  • 包含内核本身的代码和数据、驱动模块、内核栈等；
  • 有更高的访问权限；
  • 用户态程序不能直接访问这一空间。

四、用户空间与内核空间共享虚拟地址空间

在大多数操作系统中，用户空间和内核空间是共享同一个虚拟地址空间的：
在这里插入图片描述

  • 典型做法是：
    • 用户空间占据虚拟地址空间的低地址部分；
    • 内核空间占据虚拟地址空间的高地址部分；
  • 为了防止用户程序访问内核区域，内核会在页表中设定访问权限。

📌 示意公式：

  • 假设虚拟地址空间为 4 4 4 GB：
    • 0 x 00000000 0x00000000 0x00000000 ～ 0 x B F F F F F F F 0xBFFFFFFF 0xBFFFFFFF 为用户空间；
    • 0 x C 0000000 0xC0000000 0xC0000000 ～ 0 x F F F F F F F F 0xFFFFFFFF 0xFFFFFFFF 为内核空间（如 Linux 通常采用的布局）。

执行上下文（Execution Contexts）

操作系统内核最重要的任务之一是处理中断（Interrupt），而且必须非常高效地处理。因此，内核为此引入了一种特殊的执行上下文（execution context）。

一、中断上下文（Interrupt Context）

当内核因为硬件或软件中断而执行特定代码时，我们称之为运行在中断上下文中。

  • 包括中断处理函数（Interrupt Handler）及其相关机制；

  • 所有中断上下文的代码都运行在 内核态（Kernel Mode）；

  • 存在一些限制，内核开发者必须注意：

    ❌ 不能调用阻塞（blocking）函数，比如 sleep() 或 wait_event()
    ❌ 不能直接访问用户空间内存

📌 解释：

  • 中断处理必须尽快完成，任何阻塞操作都会导致系统性能下降甚至死锁；
  • 这是非抢占性环境non-preemptible中关键的执行上下文。

二、进程上下文（Process Context）

与中断上下文相对的是进程上下文。

  • 当内核为某个进程或线程服务时，就处于进程上下文中；
  • 可以运行在：
    • 用户态（执行应用代码）
    • 内核态（执行系统调用）

📌 好处：

  • 在进程上下文中可以执行阻塞操作；
  • 也可以安全访问用户空间数据。

多任务（Multitasking）

多任务处理指的是操作系统“同时”执行多个程序的能力。

  • 实际上是通过快速切换context switch在多个进程之间实现的。

1. 协作式多任务（Cooperative Multitasking）

  • 每个程序主动将 CPU 控制权交还给操作系统；
  • 如果程序不主动释放，系统就无法切换任务。

❗ 容易出现“独占 CPU”的问题。

2. 抢占式多任务（Preemptive Multitasking）

  • 内核设定时间片time slice限制每个进程的运行时间；
  • 例如一个进程最多运行 100 m s 100ms 100ms，超时后会被强制切换。

📌 更加公平，不会因一个程序出问题而拖慢整个系统。

抢占式内核（Preemptive Kernel）

抢占式多任务（preemptive multitasking） ≠ 抢占式内核（preemptive kernel）

  • 抢占式内核指的是：即便处于内核态，运行中的进程也可以被中断并切换；
  • 而某些操作系统虽然支持抢占式多任务，但其内核本身却是不可抢占的。

✅ 抢占式内核提高系统响应性
❌ 但增加了同步复杂度，如锁管理

可分页的内核内存（Pageable Kernel Memory）

  • 如果内核支持将某些内核空间的数据（如代码段、数据段、内核堆栈等）换出到磁盘，则称之为支持分页内核内存（pageable kernel memory）。

📌 优点：节省 RAM
📌 缺点：换入换出开销，必须避免在中断上下文中访问

内核栈（Kernel Stack）

每个进程在内核态下执行时，会使用一个私有的内核栈。

  • 该栈用于：

    • 保存函数调用链
    • 存储内核函数中的局部变量

  • 大小通常很小： 4 K B 4KB 4KB ～ 12 K B 12KB 12KB（依平台架构而异）

⚠️ 避免：

  • 在栈上分配大型数据结构
  • 递归调用层级太深

可移植性（Portability）

为了让操作系统能在不同硬件平台上运行，现代内核采用以下顶层结构设计：

  1. 架构相关代码（Architecture-specific）

    • 包含平台相关的 C 和汇编代码（如中断向量表、启动流程等）

  2. 架构无关代码（Architecture-independent）

    • 包括：
      • 内核核心（Kernel Core）：调度器、内存管理、IPC 等子系统
      • 设备驱动（Device Drivers）

📌 优点：

  • 实现代码复用
  • 同一套内核可以在多种硬件上运行（如 x86、ARM、RISC-V 等）

非对称多处理Asymmetric MultiProcessing（ASMP）与对称多处理Symmetric MultiProcessing（SMP）

现代操作系统内核在多核处理器环境下运行时，通常采用以下两种调度和执行架构：

一、ASMP（Asymmetric MultiProcessing，非对称多处理）

在 非对称多处理（ASMP） 模式中：

  • 一个处理器（核心）专门用于运行内核代码（如系统调用、驱动中断处理）；
  • 其余处理器仅用于运行用户空间程序。

📌 例子：

  • 核心 0：专门运行内核任务
  • 核心 1、2、3：只运行用户进程

✅ 优点：

  • 实现简单：没有并发内核执行，不需担心并发访问内存的冲突问题。

❌ 缺点：

  • 内核吞吐量不随核心数扩展：
    • 所有系统调用、中断处理等都压在一个内核核心上；
    • 这对依赖频繁内核交互的程序是个性能瓶颈。

📌 适用场景：

  • 主要用于一些特定用途系统（如嵌入式或科学计算应用），这些系统内核调用较少，用户程序计算密集。

二、SMP（Symmetric MultiProcessing，对称多处理）

在 对称多处理（SMP） 模式中：

  • 所有核心都可以运行内核代码或用户代码；
  • 任意一个核心都可以处理系统调用、中断或调度任务。

📌 更加灵活、高效，可实现多核并行加速内核功能。

❗ 实现难点：

  • 存在竞争条件（Race Conditions）：
    • 当多个核心同时运行内核函数并访问相同的内存区域，可能会导致冲突或数据破坏；
    • 因此必须使用同步原语Synchronization Primitives来保护关键区域。

🛠 常用的同步机制包括：

  • 自旋锁（Spin Locks）
  • 互斥锁（Mutexes）
  • 原子操作（Atomic Operations）

📌 关键公式：
若多个处理器访问临界区：

Only one CPU can execute critical section at a time \text{Only one CPU can execute critical section at a time} Only one CPU can execute critical section at a time

CPU 可扩展性（CPU Scalability）

CPU 可扩展性是指：当系统中处理器核心数量增加时，整体性能是否也能线性或接近线性增长。

📈 理想情况下， n n n 个核心应该能提供接近 n × n \times n× 单核性能。

一、尽量使用无锁算法（Lock-Free Algorithms）

无锁算法是指在多核环境下，不依赖传统加锁机制（如互斥锁）的并发控制算法。

✅ 优点：

  • 避免了线程之间的锁竞争；
  • 避免了死锁和优先级反转等问题；
  • 提高了在多核下的并发吞吐量。

📌 常用技术：

  • 原子操作（如 compare_and_swap \text{compare\_and\_swap} compare_and_swap）
  • 循环 CAS（spin CAS loops）
  • 内存屏障（memory barriers）

二、热点区域使用细粒度锁（Fine-Grained Locking）

在高并发访问的临界区域（high contention areas）中，使用更细粒度的锁可以提升扩展性。

对比：

锁粒度类型描述扩展性影响
粗粒度锁用一个锁保护多个资源❌ 容易产生锁竞争，影响性能
细粒度锁每个资源或资源组使用独立锁✅ 并发性更高，锁冲突减少

📌 示例：

  • 使用 per-CPU 数据结构，减少跨核心访问；
  • 将一个全局队列拆分为多个局部队列，每个队列单独加锁。

三、关注算法复杂度（Algorithm Complexity）

即使没有锁竞争，如果算法本身的复杂度太高，也会成为扩展性能的瓶颈。

建议：

  • 优化常用路径（hot path）的时间复杂度；
  • 避免在线程间频繁拷贝数据或创建临时结构；
  • 使用更适合并行的算法（例如基于数组的并行查找替代链表遍历）。

📌 记住：
O(1) ≫ O(log N) ≫ O(N) \text{O(1)} \gg \text{O(log N)} \gg \text{O(N)} O(1)≫O(log N)≫O(N)

💡 良好的 CPU 可扩展性 = 更低锁冲突 + 更短临界区 + 更高并发度 + 更优算法设计

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编程日记 2025/9/4 20:19:02

CSS padding（填充）学习笔记

CSS 中的 padding&#xff08;填充&#xff09;是一个非常重要的属性&#xff0c;它用于定义元素边框与元素内容之间的空间&#xff0c;即上下左右的内边距。合理使用 padding 可以让页面布局更加美观、清晰。以下是对 CSS padding 的详细学习笔记。 一、padding 的作用 padd…...

编程日记 2025/9/4 4:24:33

Python中的字符串、列表、字典和集合详解

Python是一门强大的编程语言&#xff0c;其内置的数据结构丰富多样。其中&#xff0c;字符串、列表、字典和集合是最常用的数据类型。本文将对它们的区别、用法和使用场景进行详细介绍&#xff0c;帮助大家更好地理解和应用这些数据结构。 1. 字符串&#xff08;String&#xf…...

编程日记 2025/9/1 14:10:28

【CUDA编程】CUDA Warp 与 Warp-Python 对比文档

相关文档: Nvidia-Warp GitHub&#xff1a;nvidia/warp CUDA Warp 和 Warp-Python 库 的对比与统一文档&#xff0c;涵盖两者的核心概念、区别、使用场景及示例&#xff1a; 1. CUDA Warp&#xff08;硬件/编程模型概念&#xff09; 1.1 定义与核心概念 定义&#xff1a; C…...

编程日记 2025/9/4 16:05:13

中厂算法岗面试总结

时间&#xff1a;2025.4.10 地点&#xff1a;上市的电子有限公司 面试流程&#xff1a; 1.由负责人讲解公司文化 2&#xff0c;由技术人员讲解公司的技术岗位&#xff0c;还有成果 3.带领参观各个工作位置&#xff0c;还有场所 4.中午吃饭 5.面试题&#xff0c;闭卷考试…...

编程日记 2025/9/8 21:36:47

Losson 4 NFS（network file system（网络文件系统））

网络文件系统&#xff1a;在互联网中共享服务器中文件资源。 使用nfs服务需要安装:nfs-utils 以及 rpcbind nfs-utils : 提供nfs服务的程序 rpcbind &#xff1a;管理nfs所有进程端口号的程序 nfs的部署 1.客户端和服务端都安装nfs-utils和rpcbind #安装nfs的软件rpcbind和…...

编程日记 2025/9/6 9:01:51

自动化运行后BeautifulReport内容为空

一、问题描述 自动化程序运行后发现运行目录下生成的html报告文件内容为空&#xff0c;没有运行结果。 二、测试环境 操作系统&#xff1a;Windows 11 家庭版BeautifulReport&#xff1a;0.1.3Python&#xff1a;3.11.9Appium-Python-Client&#xff1a;5.0.0Appium Server:2.…...

编程日记 2025/8/31 9:48:02

CTF-WEB排行榜制作

CTF-WEB排行榜制作 项目需求&#xff1a; 现在14道题对应有14个flag&#xff0c;我需要使用dockerfile搭建一个简单的&#xff0c;能够实现验证这些题目对应的flag来计分的简单网站&#xff08;要求页面比较精美&#xff09; 前十题设置为10分 11-14题设置为20分 1. flag{5a3…...

编程日记 2025/9/9 1:30:03

架构生命周期（高软57）

系列文章目录 架构生命周期 文章目录 系列文章目录前言一、软件架构是什么&#xff1f;二、软件架构的内容三、软件设计阶段四、构件总结 前言 本节讲明架构设计的架构生命周期概念。 一、软件架构是什么&#xff1f; 二、软件架构的内容 三、软件设计阶段 四、构件 总结 就…...

编程日记 2025/9/6 16:30:36

STM32单片机定时器的输入捕获和输出比较

目录 一、定时器的输入捕获 1、工作原理 2、示例代码 二、定时器的输出比较 1、工作原理 2、示例代码 三、总结 在STM32单片机中&#xff0c;定时器是一个非常重要的外设&#xff0c;广泛应用于时间管理、事件计时、波形生成等多种场景。其中输入捕获和输出比较是两个基…...

编程日记 2025/9/3 18:17:45