- Linux内核分析及应用
- 陈科
- 492字
- 2023-07-26 14:55:23
前言
随着计算机技术的发展,开发人员想要根据业务需求写出相关实现代码还是比较容易的,因为已经有了很多工具、组件、库等可帮助我们实现功能。开发人员很少会自己裸写代码,不会从底层到上层全部由自己来实现。于是,很多开发人员一旦遇到程序出现问题就会茫然失措,不知道该如何处理,甚至故障诊断和分析都成了一门高深的技术难题。
我们做任何一件事情都应该知其然,并知其所以然。操作系统是计算机的基础,所有的应用程序都是运行在操作系统之上的,所以,不管开发人员使用什么语言,开发什么行业的应用,都应该了解操作系统的原理与实现细节。
本人因为长期从事系统架构相关的工作,在涉及一些中间件或者基础组件的研发工作过程中,经常会与操作系统打交道,特别是Linux内核。我个人认为,所有应用开发人员都应该了解操作系统的实现原理和思路。Linux是人类工程史上的一个奇迹(那么大的工程,那么多人在网络上维护,能保持那么高的可用性), Linux内核作为一个开放源码的工程,在很多方面值得我们学习和借鉴。其实在工程领域,很多问题的解题思路是类似的,掌握内核的实现,对于我们更好地编写高性能、高可靠性的程序有很大帮助,也更加利于千里定位故障,秒杀Bug。
Linux体系结构
操作系统是所有应用程序生长的河床,它帮我们屏蔽各种硬件的细节,并且抽象出各种系统调用供应用开发人员来使用。
下面来介绍一下本书将要介绍的Linux内核的体系结构(图1),以便于后续章节展开分析。
图1 Linux内核的体系结构
整个Linux内核可以分为4层:
驱动管理层,驱动并管理外部一些硬件设备,例如磁盘、网卡等。
工具层,内核抽象出一些通用组件便于自己使用,例如并发管理中的一些锁、per-cpu变量等工具,另外还有中断机制,也给进程管理、信号处理等提供了基础功能。
系统能力层,操作系统的功能包括进程管理、内存管理、文件系统、I/O管理、网络等,这些功能都是基于工具层和驱动管理层提供的能力来构建的。
系统调用接口层(syscall),给应用程序开发人员提供相关接口。因为系统调用的使用成本较高,参数也比较多,需要对内核有较多了解,所以,又抽象出一些libc等库函数来封装系统调用,应用开发人员一般都是通过libc等库来与内核打交道的。
推荐预备知识
理论上说,只需具备一门编程语言的开发基础就能阅读本书,不过,为了更好地研究操作系统,我推荐大家先阅读下面的书籍:
《80x86汇编语言程序设计》(沈美明等),与CPU打交道最好的方式还是汇编语言,另外,了解汇编语言也方便更好地掌握计算机体系结构,进而深入理解系统的工作原理。
《Intel开发手册卷3》, Intel公司的开发手册,可以让读者了解CPU的工作原理、基本指令集等。CPU相关的功能也是内核最为重要的部分之一。
《自己动手编写操作系统》(于渊),该书通过编写一个简易系统,让读者更加了解硬件的工作原理。
《Linux内核完全注释》(v0.11)(赵炯),通过对0.11版本的Linux学习,可以了解早期的内核架构,这对学习新版本内核也有很大的帮助。
《软件调试的艺术》(马特洛夫),作为一名程序员,掌握基本的调试技能是必须的。
《程序员的自我修养:链接、装载与库》(潘爱民等),这本书有助于掌握编译、链接的原理,对了解操作系统编译、运行以及应用程序的装载原理有很大帮助。
当然,掌握C语言也是必须的,毕竟Linux内核是用C语言开发的,如果是C语言新手,可以先阅读Memcached的源码,因为作者的代码写得比较清晰,易于理解,初学者都可以轻松上手。
本书章节概述
由于篇幅有限,本书并没有详细介绍Linux内核的所有知识点,比如系统的启动过程,虽然对于一个内核的实现来讲,系统启动是非常重要的,但本书考虑的场景都是围绕系统启动之后提供的功能来展开的,所以本书没有包括这部分内容。
本书共分为8章,分别介绍Linux操作系统的各个模块。对于Linux内核来讲,各个模块之间虽然都是紧密结合的,但是从系统领域模型的角度,每一章都可以独立展开,读者既可以从头开始阅读,也可以选择自己感兴趣的章节进行学习。
第1章介绍进程和线程的概念、历史、实现原理、应用场景等,然后介绍Linux对进程和线程的实现,以及调度的机制、进程CPU亲和度等,并分析了Memcached线程池模型和Nginx工作进程池模型的实现,最后介绍了进程调试分析监控等工具的用法,包括gdb、coredump、strace、SystemTap、DTrace等调试工具。
第2章介绍并发的概念及其引发的相关问题,接着介绍操作系会在哪些场景遇到并发,进而分析Linux中的并发相关工具,如atomicspin_lock、semaphore、mutex、读写锁、per-cpu、抢占、内存屏障、RCU机制,最后介绍常见开源软件中的并发问题分析,如Nginx的原子性、Memcached的互斥锁、Linux中惊群问题分析、解决MyCat中的同步问题、伪共享问题解决方案等。
第3章首先介绍内存在体系结构中的作用,以及在使用中会遇到什么问题,接着介绍MMU的内存管理机制、线性地址、物理地址、虚拟地址等。接下来分析Linux是如何进行内存管理的,包括整体架构以及伙伴算法、slab分配器、kmalloc、vmalloc、mallc等。Linux栈内存如何分配,对于内核栈和线程栈Linux又是如何区分和管理的。最后介绍了Memcached和Redis是如何管理内存的。
第4章首先介绍x86系统的中断机制,以及为什么要引入中断机制,接着介绍Linux系统如何对中断机制进行封装和实现,并且介绍为加速中断的处理过程,Linux引入的机制,如软中断、tasklet、工作队列等,最后介绍系统调用、时钟中断、信号处理机制等实现方式。
第5章阐述了I/O在计算机体系结构中的重要性,以及I/O产生的全过程,还介绍I/O调度器和多队列机制。最后介绍一些开源系统和操作系统中I/O相关调用的实现,比如:I/O多路复用epoll调用、Redis对epoll的封装、Nginx读文件异步I/O、零拷贝技术,主要围绕mmap和sendfile的比对以及Mongodb、Kafka对零拷贝技术的使用等。
第6章以vfs为切入点,介绍Linux文件系统的整体架构以及文件系统的核心概念,并且介绍文件系统的主要功能:如安装、文件查找、读写等,简单介绍ext4文件系统,最后介绍TFS小文件系统的设计思路。
第7章介绍Intel VT的硬件虚拟化技术,以及Linux KVM模块等虚拟化技术,然后介绍chroot、namespace、cgroup等容器虚拟化底层技术在Linux上的实现,最后,着重分析新版Docker容器拆分后,容器化模块containerd的实现。
第8章围绕数据如何在Linux网络层流转来介绍Linux网络层的控制机制,首先简单介绍lvs如何在netfilter上进行定制,最后介绍Nginx服务器socket监听初始化的过程。
本书精选了大量案例,相关代码可以下载,地址为https://github.com/lingq1818/analysis_linux,其中包括本书使用的Linux内核源代码。
致谢
感谢我曾经的同事和领导们:庄涛、胡志强、何崚、吴国庆、刘晓飞、陈洁梅、郭秀军,等等,是你们对我工作的帮助和支持,才让我有机会深入了解Linux并有了总结思路。感谢吴怡编辑的辛勤工作和不断督促,让本书的出版成为可能。同时还要感谢许多我不知道名字的幕后工作人员为本书付出的努力。
最后,感谢我的家人,是你们默默地支持和付出,才能让我在工作上不断前进,你们的爱永远是我前进的动力。