第二章 Linux内核分析

Linux操作系统内核性能测试与调优操作系统是计算机系统中最核心的软件之一，它负责协调和管理计算机硬件资源以及提供统一的用户界面。

Linux操作系统因其开放源代码、稳定性和安全性而备受欢迎。

然而，在大规模和高负载的环境中，Linux操作系统的性能可能会出现瓶颈。

因此，进行内核性能测试与调优是非常重要的。

一、性能测试的重要性在处理大量数据和并发用户请求时，操作系统的性能会成为瓶颈。

通过性能测试，我们可以了解操作系统在不同负载情况下的表现，进而定位和解决性能瓶颈。

性能测试有助于提高系统的响应时间、吞吐量和并发性能，从而确保系统的稳定运行。

二、性能测试的分类1. 压力测试：通过模拟实际用户行为或产生大量虚拟用户，并观察系统在负载增加的情况下的响应时间和吞吐量。

常用的压力测试工具包括Apache JMeter和Gatling等。

2. 负载测试：通过模拟实际业务场景，并且能够测试系统在高负载情况下的响应能力和稳定性。

这种测试方法可以帮助我们发现系统在繁忙时是否仍然能够正常工作，并识别可能存在的性能瓶颈。

3. 并发测试：通过模拟多个并发用户并行执行相同或不同的操作，以验证系统在并发访问下的性能表现。

这种测试方法可以评估系统的并发处理能力和资源利用率。

三、内核性能调优的重要性Linux操作系统的性能与其内核配置息息相关。

对内核的性能调优可以提高系统的响应速度、降低延迟和提高吞吐量。

通过调整内核参数和优化内核模块，可以使操作系统更好地适应特定的工作负载。

四、内核性能调优的方法1. 内核参数调整：根据系统的工作负载特点，适当调整内核参数。

例如，可以通过修改TCP/IP堆栈参数来提高网络性能，或者通过修改文件系统参数来提高磁盘I/O性能。

2. 内核模块优化：优化内核使用的模块，选择性加载和卸载不必要的模块，以减少内核的资源占用和启动时间。

3. 中断处理优化：通过合理分配和调整中断处理的优先级，减少中断处理的开销，提高系统的性能。

在 Linux 系统中，内核堆栈（kernel stack）用于执行内核代码。

当发生操作系统内核崩溃、内核出现异常或需要调试时，理解和分析内核堆栈十分重要。

以下是分析 Linux 内核堆栈的常用方法：使用dmesg：当内核发生故障时，错误信息和堆栈追踪通常会输出到内核日志。

你可以使用 dmesg 命令查看内核日志中的堆栈追踪。

dmesg | grep -i stack操作系统崩溃时的系统日志：有时通过分析内核崩溃时的系统日志（如/var/log/syslog 或/var/log/messages、/var/log/kern.log）也可以找到有关堆栈信息。

使用 dump_stack() 函数：在内核代码中，你可以使用 dump_stack() 函数打印当前线程的堆栈信息。

这在调试内核代码时非常有用。

系统核心转储（Core Dump）：内核崩溃时，操作系统有时会生成系统核心转储文件。

你可以使用 GNU Debugger（GDB）来分析内核转储文件。

首先，安装 Linux 的调试符号表（debugging symbols），然后使用 gdb 命令加载符号表和内核转储文件，最后使用 bt（backtrace）命令查看堆栈追踪。

gdb path/to/vmlinux path/to/core_dump(gdb) bt请注意，要使内核生成核心转储文件，需要正确配置内核。

具体配置方法取决于你所使用的 Linux 发行版。

内核调试器（如 KGDB 和 KDB）：如果你正在研究内核问题，可以使用内核调试器 KGDB 或 KDB。

KGDB 是基于 GDB 的内核调试器，可以在源代码级别进行调试。

KDB 则是一个基于文本的内核调试器。

使用这些工具，你可以从内核级别设置断点、单步执行代码、检查内存内容和调用堆栈等。

通过以上方法可以帮助你分析 Linux 内核堆栈。

如何选择最佳方法取决于你的具体需求和问题。

在进行内核调试之前，请确保熟悉 Linux 操作系统和内核开发的基本知识。

Linux操作系统的内核设计分析Linux操作系统作为开源操作系统的代表，已经在各个领域得到了广泛应用。

而Linux操作系统的内核则是这个系统之所以能够运转的关键所在。

本文将就Linux操作系统的内核设计进行分析，并探讨其优劣之处。

一、Linux内核设计的基础Linux内核的设计基础主要包括以下几个方面：1. 开放源码Linux内核采用的是GPL协议，这意味着它是一个开放源码的项目。

这为世界各地的开发人员提供了极大的便利，方便他们进行开发和修改。

同时，这也确保了Linux内核的透明度，并且鼓励开发者贡献代码的同时，深度参与到Linux开源社区的构建和升级中。

2. 模块化Linux内核的构造采用的是模块化设计。

这种设计方式将内核代码分成独立的模块，每个模块都可以独立编译、加载和卸载。

采用模块化的设计，能够使得开发人员能够更加细致地打包、编译、并部署只包含他们需要的模块的系统。

3. 多任务Linux内核是一个基于多任务设计的系统。

这意味着它能够使得多个程序同时运行，并能够平滑高效地进行任务的切换。

这给开发人员提供了各种各样的自由，使得他们能够更加高效地进行开发。

4. 支持众多处理器架构Linux内核的支持范围非常广泛，它可以适配众多处理器架构。

这意味着一个制造商可以使用不同的处理器架构去生产设备，并且这些设备都能够安装和运行Linux操作系统。

5. 外层调用接口Linux内核支持开放式的外层调用接口。

这使得用户层可以很容易地调用Linux 内核执行某个任务。

这些用户层应用包括网上购物网站、应用程序和各种驱动程序。

6. 子系统Linux内核的子系统主要包括进程管理、内存管理、I/O管理和网络管理等。

二、Linux内核的优点Linux内核具有以下主要优点：1. 开源性Linux内核本身是一个开源的、由社区驱动的项目。

这意味着在它的附加组件和周边产品中，广大的开发者社区都可以为用户提供帮助和支持。

2. 安全性相比其他闭源操作系统，Linux内核在安全性方面更具优势。

其中基于sparc64平台的Linux用户空间可以运行32位代码，用户空间指针是32位宽的，但内核空间是64位的。

内核中的地址是unsigned long类型，指针大小和long类型相同。

内核提供下列数据类型。

所有类型在头文件<asm/types.h>中声明，这个文件又被头文件<Linux/types.h>所包含。

下面是include/asm/types.h文件。

#ifndef _I386_TYPES_H#define _I386_TYPES_H#ifndef __ASSEMBLY__typedef unsigned short umode_t;// 下面__xx类型不会损害POSIX 名字空间，在头文件使用它们，可以输出给用户空间typedef __signed__ char __s8;typedef unsigned char __u8;typedef __signed__ short __s16;typedef unsigned short __u16;typedef __signed__ int __s32;typedef unsigned int __u32;#if defined(__GNUC__) && !defined(__STRICT_ANSI__)typedef __signed__ long long __s64;typedef unsigned long long __u64;#endif#endif /* __ASSEMBLY__ *///下面的类型只用在内核中，否则会产生名字空间崩溃#ifdef __KERNEL__#define BITS_PER_LONG 32#ifndef __ASSEMBLY__#include <Linux/config.h>typedef signed char s8;typedef unsigned char u8;typedef signed short s16;typedef unsigned short u16;typedef signed int s32;typedef unsigned int u32;typedef signed long long s64;typedef unsigned long long u64;/* DMA addresses come in generic and 64-bit flavours. */ #ifdef CONFIG_HIGHMEM64Gtypedef u64 dma_addr_t;#elsetypedef u32 dma_addr_t;#endiftypedef u64 dma64_addr_t;#ifdef CONFIG_LBDtypedef u64 sector_t;#define HAVE_SECTOR_T#endiftypedef unsigned short kmem_bufctl_t;#endif /* __ASSEMBLY__ */#endif /* __KERNEL__ */#endif下面是Linux/types.h的部分定义。

linux内核分析课后答案Linux是将应用层序的请求传递给硬件，并充当底层驱动程序，对系统中的各种设备和组件进行寻址。

支持模块的动态装卸(裁剪)。

Linux内核就是基于这个策略实现的。

Linux进程1.采用层次结构，每个进程都依赖于一个父进程。

内核启动init程序作为第一个进程。

该进程负责进一步的系统初始化操作。

init进程是进程树的根，所有的进程都直接或者间接起源于该进程。

从技术层面讲，内核是硬件与软件之间的一个中间层。

作用是将应用层序的请求传递给硬件，并充当底层驱动程序，对系统中的各种设备和组件进行寻址。

从应用程序的层面讲，应用程序与硬件没有联系，只与内核有联系，内核是应用程序知道的层次中的最底层。

在实际工作中内核抽象了相关细节。

内核是一个资源管理程序。

负责将可用的共享资源(CPU时间、磁盘空间、网络连接等)分配得到各个系统进程。

内核就像一个库，提供了一组面向系统的命令。

系统调用对于应用程序来说，就像调用普通函数一样。

Linux 内核可以进一步划分成 3 层。

最上面是系统调用接口，它实现了一些基本的功能，例如 read 和 write。

系统调用接口之下是内核代码，可以更精确地定义为独立于体系结构的内核代码。

这些代码是 Linux 所支持的所有处理器体系结构所通用的。

在这些代码之下是依赖于体系结构的代码，构成了通常称为 BSP（Board SupportPackage）的部分。

这些代码用作给定体系结构的处理器和特定于平台的代码。

Linux 内核实现了很多重要的体系结构属性。

在或高或低的层次上，内核被划分为多个子系统。

Linux 也可以看作是一个整体，因为它会将所有这些基本服务都集成到内核中。

这与微内核的体系结构不同，后者会提供一些基本的服务，例如通信、I/O、内存和进程管理，更具体的服务都是插入到微内核层中的。

每种内核都有自己的优点，不过这里并不对此进行讨论。

随着时间的流逝，Linux 内核在内存和 CPU 使用方面具有较高的效率，并且非常稳定。

linux内核分析之调度算法linux调度算法在2.6.32中采用调度类实现模块式的调度方式。

这样，能够很好的加入新的调度算法。

linux调度器是以模块方式提供的，这样做的目的是允许不同类型的进程可以有针对性地选择调度算法。

这种模块化结构被称为调度器类，他允许多种不同哦可动态添加的调度算法并存，调度属于自己范畴的进程。

每个调度器都有一个优先级，调度代码会按照优先级遍历调度类，拥有一个可执行进程的最高优先级的调度器类胜出，去选择下面要执行的那个程序。

linux上主要有两大类调度算法，CFS(完全公平调度算法）和实时调度算法。

宏SCHED_NOMAL主要用于CFS调度，而SCHED_FIFO和SCHED_RR主要用于实时调度。

如下面的宏定义：1. /*2. * Scheduling policies3. */4. /*支援Real-Time Task的排程,包括有SCHED_FIFO與SCHED_RR.5. */6.7. /*(也稱為SCHED_OTHER): 主要用以排程8. 一般目的的Task.*/9. #define SCHED_NORMAL 010. #define SCHED_FIFO 111. /*task預設的 Time Slice長度為100 msecs*/12. #define SCHED_RR 213. /*主要用以讓Task可以延長執行的時間14. (Time Slice),減少被中斷發生Task Context-Switch15. 的次數.藉此可以提高 Cache的利用率16. (每次Context-Switch都會導致Cache-Flush). 比17. 較適合用在固定週期執行的Batch Jobs任18. 務主機上,而不適合用在需要使用者互19. 動的產品 (會由於Task切換的延遲,而20. 感覺到系統效能不佳或是反應太慢).*/21. #define SCHED_BATCH 322. /* SCHED_ISO: reserved but not implemented yet */23. /*為系統中的Idle Task排程.*/24. #define SCHED_IDLE 51. /*每个处理器都会配置一个rq*/2. s truct rq {3. /* runqueue lock: */4. spinlock_t lock;5.6. /*7. * nr_running and cpu_load should be in the same cacheline because8. * remote CPUs use both these fields when doing load calculation.9. */10. /*用以记录目前处理器rq中执行task的数量*/11. unsigned long nr_running;12. #define CPU_LOAD_IDX_MAX 513. /*用以表示处理器的负载，在每个处理器的rq中14. 都会有对应到该处理器的cpu_load参数配置，在每次15. 处理器触发scheduler tick时，都会呼叫函数16. update_cpu_load_active,进行cpu_load的更新。

linux操作系统的基本体系结构一、内核（Kernel）Linux操作系统的核心是内核，它负责管理系统资源、控制硬件设备、调度进程和提供基本的系统服务。

Linux内核采用单内核结构，包含了操作系统的大部分核心功能和驱动程序。

内核是操作系统的核心组件，它提供了操作系统运行所必须的基本功能。

Linux内核具有以下特点：1、多任务处理：Linux内核支持多任务处理，可以同时运行多个程序，并实现多个程序之间的切换和管理。

2、硬件管理：Linux内核负责管理硬件设备，与硬件设备交互，控制硬件设备的工作状态。

3、内存管理：Linux内核负责管理系统的内存，包括内存的分配、释放、映射和交换等操作。

4、文件系统：Linux内核支持多种文件系统，包括ext4、NTFS、FAT等，负责文件的读写、管理和保护。

5、进程管理：Linux内核管理系统进程，包括进程的创建、调度、挂起、唤醒和终止等操作。

6、网络通信：Linux内核支持网络通信功能，包括TCP/IP协议栈、网卡驱动等，实现网络数据传输和通信。

二、ShellShell是Linux操作系统的命令解释器，用户通过Shell与操作系统进行交互。

Shell接受用户的命令，并将其转换为对应的系统调用，最终由内核执行。

Linux系统中常用的Shell有Bash、Zsh等，用户可以根据自己的喜好选择不同的Shell。

Shell具有以下功能：1、命令解释：Shell接受用户输入的命令，并将其翻译为操作系统可以执行的命令。

2、执行程序：Shell可以执行各种程序、脚本和命令，包括系统工具、应用程序等。

3、环境控制：Shell可以设置环境变量、别名和路径等，帮助用户管理系统环境。

4、文件处理：Shell可以处理文件操作，包括创建、删除、复制、移动等。

5、脚本编程：Shell支持脚本编程，用户可以编写Shell脚本来自动执行一系列操作。

三、系统工具Linux操作系统提供了丰富的系统工具，帮助用户管理系统和执行各种任务。

linux内核分析⼯具Dtrace、SystemTap、⽕焰图、crash等<< System语⾔详解 >> 关于 SystemTap 的书。

我们在分析各种系统异常和故障的时候，通常会⽤到 pstack(jstack) /pldd/ lsof/ tcpdump/ gdb(jdb)/ netstat/vmstat/mpstat/truss(strace)/iostat/sar/nmon(top)等系列⼯具，这些⼯具从某个⽅⾯为我们提供了诊断信息。

但这些⼯具常常带有各类“副作⽤”，⽐如truss(见于 AIX/Solaris) 或者 strace(见于 Linux) 能够让我们检测我们应⽤的系统调⽤情况，包括调⽤参数和返回值，但是却会导致应⽤程序的性能下降；这对于诊断毫秒级响应的计费⽣产系统来说，影响巨⼤。

有没有⼀个⼯具，能够兼得上述所有⼯具的优点，⼜没有副作⽤呢？答案是有！对于 Solaris/BSD/OS X 系统来说，那就是 DTrace ⼯具（后来，Linux 也终于有了⾃⼰类似的⼯具，stap）。

DTrace 的优势是什么呢？可以这么讲，如果你对于 OS 和应⽤熟悉，利⽤ DTrace 可以诊断所有问题；没错，是“所有”，“所有”，“所有”，重要的事情说三遍！书籍：DTrace-Dynamic-Tracing-in-Oracle-Solaris-Mac-OS-X-and-FreeBSD.pdf书籍：Solaris Dynamic Tracing Guide.pdf脚本⼯具集合：DTraceToolkit-0.99动态追踪技术（中） - Dtrace、SystemTap、⽕焰图说到动态追踪就不能不提到。

DTrace 算是现代动态追踪技术的⿐祖了，它于 21 世纪初诞⽣于 Solaris 操作系统，是由原来的 Sun Microsystems 公司的⼯程师编写的。

可能很多同学都听说过 Solaris 系统和 Sun 公司的⼤名。

linux系统原理Linux是一个自由、开放源代码的操作系统，它是由Linus Torvalds在1991年开始开发的。

Linux操作系统的诞生，是为了满足Linus Torvalds对Minix操作系统的不满，他想要一个更加自由、更加开放的操作系统。

Linux操作系统的成功，得益于其开放源代码、自由、高效、稳定等特点，这些特点也成为了Linux操作系统的核心原理。

Linux系统的核心原理主要包括以下几个方面：1.开放源代码Linux操作系统的开放源代码，是其最大的特点之一。

Linux系统的源代码是公开的，任何人都可以查看、修改、使用和分发。

这种开放源代码的模式，使得Linux系统具有高度的灵活性和可扩展性。

任何人都可以根据自己的需要，对Linux系统进行修改和定制，以满足自己的需求。

2.自由Linux操作系统的自由，体现在它的使用和分发上。

Linux系统的用户可以自由地使用和分发Linux系统，不需要支付任何费用。

这种自由的模式，使得Linux系统成为了广泛使用的操作系统之一。

同时，Linux系统的自由也促进了开源软件的发展，许多优秀的开源软件都是在Linux系统上运行的。

3.高效Linux操作系统的高效，主要体现在其优秀的内核设计上。

Linux系统的内核采用了模块化的设计方式，每个模块都可以独立地加载和卸载。

这种设计方式，使得Linux系统可以根据需要动态地加载和卸载内核模块，从而提高系统的效率和稳定性。

4.稳定Linux系统的稳定性，是由其内核的稳定性和可靠性所决定的。

Linux系统的内核采用了分层结构的设计方式，每层之间都有非常清晰的接口和协议。

这种设计方式，使得Linux系统的内核非常稳定和可靠，即使在高负载和复杂环境下，也能够保持良好的性能和稳定性。

5.安全Linux系统的安全性，是由其安全机制和安全策略所决定的。

Linux系统采用了多种安全机制，如访问控制、加密、防火墙等，来保护系统的安全。

linux内核原理Linux内核是一种开源的操作系统内核，它是操作系统最底层的部分，负责管理计算机的各种硬件资源并提供给其他软件运行所需的服务。

本文将介绍Linux内核的原理，包括其架构、进程管理、内存管理和文件系统等方面。

Linux内核的架构是以模块化的方式设计的，主要由核心模块、设备驱动程序、文件系统和网络协议栈等组成。

核心模块是内核的主要部分，负责处理系统调用、进程管理和内存管理等功能。

设备驱动程序用于管理和控制计算机的硬件设备，文件系统用于管理计算机上的文件和目录，而网络协议栈则是负责处理网络通信的部分。

进程管理是Linux内核的核心功能之一、进程是指在运行中的程序，Linux内核通过进程管理功能来创建、调度和终止进程。

每个进程都有自己的进程控制块（PCB），内核利用PCB保存进程的状态信息，包括进程的代码、数据、堆栈和打开的文件等。

内存管理是Linux内核的另一个重要功能。

内核通过内存管理功能来为进程分配和管理内存。

Linux内核使用虚拟内存技术，将物理内存分成固定大小的页，并为每个进程分配虚拟地址空间。

内核通过页表来管理虚拟地址空间和物理内存之间的映射关系，以实现进程之间的隔离和保护。

文件系统是Linux内核的一个重要组成部分。

Linux内核支持多种文件系统，包括常见的ext4、NTFS和FAT等。

文件系统管理计算机上的文件和目录，通过文件系统接口提供对文件的读写和操作。

Linux内核利用文件描述符来标识打开的文件，并通过虚拟文件系统层将文件系统的具体实现与应用程序解耦。

除了上述功能，Linux内核还负责处理中断和系统调用等事件。

中断是计算机硬件的一种机制，用于通知内核有特定的事件发生，如硬件故障或外部设备的输入。

内核通过注册中断处理程序来响应中断事件，并进行相应的处理。

系统调用是应用程序与内核之间的接口，应用程序可以通过系统调用请求内核执行特定的操作。

总结来说，Linux内核是一种开源的操作系统内核，负责管理计算机的各种硬件资源并提供给其他软件运行所需的服务。

linux工作原理Linux是一种开源的操作系统内核，它是由Linus Torvalds于1991年开发的。

Linux工作原理主要包括以下几个方面：1. 内核：Linux的核心部分是内核，它是操作系统的关键组成部分。

内核负责管理系统的底层资源，如处理器、内存、外设等。

它提供了系统调用接口，允许应用程序与硬件交互，并提供了各种驱动程序来支持不同类型的硬件设备。

2. 进程管理：Linux使用进程管理来管理系统中运行的应用程序。

每个应用程序都会被分配一个唯一的进程ID，进程管理器负责启动、暂停、恢复和终止进程。

此外，Linux还支持多任务处理，即可以同时运行多个应用程序。

3. 文件系统：Linux使用文件系统来组织和管理文件和目录。

常见的文件系统包括Ext4、XFS、Btrfs等。

文件系统提供了访问文件和目录的方法，并提供了权限管理、文件压缩、加密等功能。

4. 设备驱动：Linux支持各种硬件设备，如网络接口卡、显卡、打印机等。

每个硬件设备都需要相应的设备驱动程序来与内核进行通信。

Linux提供了一种通用的设备驱动接口，使得硬件设备能够与操作系统无缝集成。

5. 网络通信：Linux具有强大的网络功能，支持各种网络协议和通信方式，如TCP/IP、HTTP、FTP等。

通过网络子系统，Linux可以实现网络连接、数据传输和通信协议处理。

总的来说，Linux工作原理是通过内核来管理底层资源和设备，为应用程序提供一套接口，使得应用程序能够运行、交互和访问文件。

同时，Linux还具有强大的网络功能，能够实现网络通信和连接。