《极致C语言》第10章 – Unix 内核及其体系结构
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《极致C语言》第10章 -- Unix 内核及其体系结构
《极致C语言》第10章 -- Unix 内核及其体系结构1. Unix 架构1.1 指导思想1.2 Unix 洋葱
2. 系统调用（system calls）3. 内核4. 硬件
1. Unix 架构
1.1 指导思想
Unix 主要是为程序员而不是普通终端用户设计开发的： 因此， Unix 体系结构中并不考虑解决用户界面和用户体验需求。一个 Unix 系统是由许多小而简单的程序组成的： 每个程序都设计用于执行一个简单的任务。有很多类似的例子，比如 ls, mkdir, ifconfig, ps, kill 等等。复杂任务可以通过一系列简短程序的链式执行来完成： 这意味着在大而复杂的任务中包含多个程序，而为了完成任务，可以多次执行各个程序。一个最好的例子是使用 shell 脚本来代替详尽的编程。每个简短的程序都应该能够将其输出传递给另一个简短程序做输入，这种传递应能够继续： 通过这种方式，就能够通过简短程序组成的链来执行复杂任务。在这条链上的每个程序都可以被视为转换器：接收前一个程序的输出，根据一定逻辑对其进行转换，然后传递给链中的下一个程序。最好的例子是 Unix 命令之间用竖线表示的管道，如 ls -l | grep a.out。Unix 更面向文本： 所有配置都是文本文件，并且它采用文本命令行。Unix 建议选择简单而不是完美： 例如，如果一个简单的解决方案在大多数情况下都能工作，那就不要设计一个性能只稍微好一点但却更复杂的解决方案。为特定 Unix 兼容操作系统编写的程序应该很容易在其它 Unix 系统中使用： 这主要是通过一个可以在各种 Unix 兼容系统上构建和执行的代码库来实现的。
1.2 Unix 洋葱
硬件（Hardware）： 众所周知，操作系统的主要任务是允许用户与硬件进行交互并使用它们。 内核（Kernel）： 内核是操作系统中最重要的部分。因为他是最靠近硬件的层，相当于一个包装器，向其他层提供所连接硬件的功能。由于内核层可以直接访问硬件，它拥有系统中所有可用资源的最高使用权限。内核层具有无限访问硬件的权限，其他层不具备这种无限访问权限。事实上，是将内核空间（kernel space） 和用户空间（user space） 分开。 Shell层： Shell 层有许多小程序组成，它们共同构成一组工具，使得用户或应用程序可以使用内核服务。它还包含一组用 C 语言编写的库，程序员可以使用这些库为 Unix 编写新的应用程序。 用户应用程序（User Applications）： 包括了所有应用在 Unix 系统上的实际应用程序，例如数据库服务、web服务、邮件服务、web浏览器、工作表程序和文本编辑程序，等等。
2. 系统调用（system calls）
我们知道，系统调用（system calls，或英文简写为 syscalls） 是由 libc 实现中的代码触发的。事实上，这就是触发内核例程的方式，在 SUS 中，以及在兼容 POSIX 的系统中，有一个程序用于在程序运行时跟踪系统调用。
ExtremeC_examples_chapter10_1.c
#include
int main(int argc, char **argv)
{
sleep(1);
return 0;
}
在 Linux 系统中使用 strace 监视上述例程
$ cc ExtremeC_examples_chapter10_1.c -lc -o ex10_1.out
$ strace -o ex10_1.log ./ex10_1.out
Shell 窗口显示了 Linux 中使用 strace 监视上述例子调用的系统调用的输出 ex10_1.log；从输出的log中可以看到，该例程发起了许多系统调用，其中一些时关键加载共享目标库的，特别是在初始化进程时。
openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
上述系统调用打开 libc.so.6 共享目标库文件。这个共享目标库包含了 Linux 的 libc 的实际实现。
clock_nanosleep(CLOCK_REALTIME, 0, {tv_sec=1, tv_nsec=0}, 0x7ffed1588c00) = 0
可以看出程序调用了 clock_nanosleep 系统调用。传递给这个系统调用的值 tv_sec=1, tv_nsec=0 也就是 1 秒。
系统调用类似于函数调用，请注意每个系统调用都有一个专用的、预先设定的常量，还有一个特定的名称和一个参数列表。每个系统调用执行一个特定的任务。在本例中 clock_nanosleep 让调用线程休眠指定的秒数。关于系统调用的更多信息可以查阅 Linux Programmer’s Manual；
$ man clock_nanosleep
从 Linux Programmer’s Manual 手册中可以看出:
clock_nanosleep 是一个系统调用可以在 shell 层调用 time.h 中定义的 clock_nanosleep 和 nanosleep 函数来访问系统调用。注意，我们使用了 unitsd.h 里的 sleep 函数。我们也可以使用前面 time.h 里的两个函数。值得注意的是，两个头文件和前面的所有函数，以及实际使用的函数，都是 SUS 和 POSIX 的一部分。
使用 FreeBSD 的源码，查看 libc 中实际系统调用的位置
$ git clone https://github.com/freebsd/freebsd-src.git
...
$ cd freebsd-src-main/lib/libc
$ grep sys_nanosleep . -R
./include/libc_private.h:int __sys_nanosleep(const struct timespec *, struct timespec *);
./sys/Symbol.map: __sys_nanosleep;
./sys/interposing_table.c: SLOT(nanosleep, __sys_nanosleep),
./sys/nanosleep.c:__weak_reference(__sys_nanosleep, __nanosleep);
在 ./sys/interposing_table.c 文件中可以看到，nanosleep 函数被映射到了 __sys_nanosleep 函数中。因此，任何对 nanosleep 函数的调用都会导致 __sys_nanosleep 被调用。
grep clock_nanosleep . -R
/include/un-namespace.h:#undef clock_nanosleep
./include/libc_private.h: INTERPOS_clock_nanosleep,
./include/libc_private.h:int __sys_clock_nanosleep(__clockid_t, int,
./include/namespace.h:#define clock_nanosleep _clock_nanosleep
./tests/sys/Makefile:NETBSD_ATF_TESTS_C+= clock_nanosleep_test
./sys/clock_nanosleep.c:__weak_reference(__sys_clock_nanosleep, __clock_nanosleep);
./sys/clock_nanosleep.c:#pragma weak clock_nanosleep
./sys/clock_nanosleep.c:clock_nanosleep(clockid_t clock_id, int flags, const struct timespec *rqtp,
./sys/clock_nanosleep.c: __libc_interposing[INTERPOS_clock_nanosleep])(clock_id, flags,
./sys/Symbol.map: clock_nanosleep;
./sys/Symbol.map: __sys_clock_nanosleep;
./sys/interposing_table.c: SLOT(clock_nanosleep, __sys_clock_nanosleep),
./sys/Makefile.inc: clock_nanosleep \
./sys/Makefile.inc:MLINKS+=nanosleep.2 clock_nanosleep.2
...
同样在 ./sys/interposing_table.c 文件中可以看到，clock_nanosleep 函数被映射到了 __sys_clock_nanosleep 函数中。因此，任何对 clock_nanosleep 函数的调用都会导致 __sys_clock_nanosleep 被调用。
以 _sys 开始的函数是 FreeBSD 约定的实际系统调用函数。请注意，这是 libc 实现的一部分，使用的命名约定和其它与实现相关的配置都是特定于 FreeBSD 的。
3. 内核
内核层的主要目的是管理系统中的硬件，并以系统调用的方式公开硬件提供的功能。
内核是一个进程，像我们知道的任何其他进程一样，它执行一系列指令。但是内核进程（kernel process） 与普通进程有本质上的不同，普通进程就是我们所知道的用户进程（user process） 。
内核进程要做的第一件事就是加载和执行，而用户进程需要在生成之前加载并运行内核进程。我们只有一个内核进程，但是多个用户进程可以同时工作。内核进程是通过引导加载程序将内核印象复制到主存中来创建的，但是用户进程是使用 exec 或 fork 系统调用创建的。大多数 Unix 系统都具备这些系统调用。内核进程处理并执行系统调用，但是用户进程调用系统调用并等待内核进程处理系统调用的执行。这意味着，当用户进程要求执行系统调用时，执行流被转移到内核进程，内核本身代表用户进程执行系统调用的逻辑。内核进程以特权（privileged） 模式看到物理内存和所有硬件，但用户进程看到的是虚拟内存，它被映射到物理内存中，而用户进程对物理内存布局一无所知。同样，用户进程控制并监督对资源和硬件的访问。
Tips: 操作系统运行时有两种不同的工作状态。其中一个专用于内核进程，被称为内核域（kernel land）或内核空间（kernel space）；另一个专用于用户进程，被称为用户域（user land）或用户空间（user space）。通过用户进程调用系统调用将这两个域结合在一起。
一个典型的 Unix 内核的内部结构可以通过内核执行的任务来识别。事实上，管理硬件并不是内核执行的唯一任务。下面列出了 Unix 内核的职能。
进程管理（Process management）： 用户进程是由内核通过系统调用创建的。为一个新进程分配内存，加载它的指令，是所有操作系统中应该在进程运行之前就执行的一些操作。进程间通信（Inter-Process Communication， IPC）： 同一台机器上的用户进程可以使用不同的方法交换数据。其中一些方法是共享内存、管道和 Unix 域套接字。这些方法应该由内核来使用，其中一些方法需要内核来控制数据交换。调度（Scheduling）： Unix 一直被认为是多任务操作系统。内核管理对 CPU 内核的访问，并试图平衡对它们的访问。调度是一个任务的名称，它根据进程的优先级和重要性处理它们分享 CPU 的时间。内存管理（Memory management）： 毫无疑问，这是内核的关键任务之一。内核是唯一能够看到整个物理内存并拥有超级用户访问权限的进程。因此，应该由内核执行和管理与内存相关的任务，如在堆分配时将内存分解为可分配页面、为进程分配新页面，释放内存以及更多的任务。系统启动（System startup）： 一旦内核镜像加载到主存，启动了内核进程，他就应该初始化用户空间。这通常是通过创建第一个用户进程来实现的，该用户进程的进程标识符为1（Process Identifier，PID）。在某些 Unix 系统（如 Linux）中，这个过程称为初始化（init）。在这个进程启动之后，它将启动更多的服务和守护进程。设备管理（Device management）： 除了 CPU 和内存之外，内核应该能够通过抽象方式来管理硬件。设备（device） 是连接到 Unix 系统的真实或虚拟硬件。典型的 Unix 系统使用路径 /dev 存放映射的设备文件。所有连接的硬盘驱动器、网络适配器、USB设备等都映射为 /dev 路径下的文件。用户进程可以使用这些设备文件与设备通信。
Unix 架构下不同层的内部结构
4. 硬件
Unix 内核完全隐藏了 CPU 和物理内存，它们由内核直接管理，不允许从用户空间进行访问。Unix 内核中的内存管理（Memory Management） 和调度器（Scheduler） 单元分别负责管理物理内存和 CPU。但对于连接到 Unix 系统的其它外围设备，情况是不同的。它们通过一种称为设备文件（device file）的机制公开。可以在 Unix 系统的 /dev 路径中看到这些文件。
以下是可以在普通 Linux 机器上找到的设备文件列表：
$ls -l /dev
total 0
crw-r--r-- 1 root root 10, 235 Feb 3 14:33 autofs
drwxr-xr-x 2 root root 40 Feb 3 14:33 block
drwxr-xr-x 2 root root 100 Feb 3 14:33 bsg
...
可以看到，相当多的设备连接到机器上。当然，并非所有的设备都是真实的硬件。Unix 中对硬件设备的抽象使它能够拥有虚拟设备（virtual devices）。
参考文章
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