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读薄《Linux 内核设计与实现》(5) – 定时器、时间管理和内存管理

这篇文章是 《读薄「Linux 内核设计与实现」》系列文章
的第 V 篇,本文主要讲了以下问题:Linux 内核中的时间概念和时间表示,硬件时钟和定时器以及时间中断和内存管理的相关知识。

0x00 内核中的时间概念

  • 内核需要管理相对时间和绝对时间
  • 硬件为内核提供了一个系统定时器用以计算流逝的时间,它以某种频率自行触发时间中断,该频率可以通过编程预定,称作节拍率
  • 时间的作用:
    • 更新系统时间
    • 更新实际时间
    • 定期均衡运行队列(SMP)
    • 时间片
    • 定期统计处理器时间

0x01 Linux 中的时间表示

I 节拍率(Hz)

中定义,不同体系结构不同。

理想的Hz 值应该是多少?

高 Hz 的优势:

  • 提高定时器频度和精度
  • 依赖定时值值省得系统调用能够以更高精度运行
  • 提高进程抢占的精准度

高 Hz 的劣势:

  • 提高时钟中断频率,加重系统负担
  • 提高中断处理程序占CPU时间
  • 更频繁的打乱处理器高速缓存并增加能耗

II jiffies

全局变量 jiffies 用来记录自系统启动以来产生的节拍的总数,定义于

extern unsigned long volatile jiffies;

jiffies 的回绕问题

jiffies 的值超过它的最大存放范围后就会发生溢出,溢出后它的值会回绕到0

解决方案

  1. time_after(unknown, known)
    : 当时间 unknown 超过指定的 known 时,返回真,否则返回假;
  2. time_before(unknown, known)
    : 当时间 unknown 没超过指定的 known 时,返回真,否则返回假;
  3. unknown 通常是 jiffies,unknown是需要对比的值;
  4. time_before_eq
    time_after_eq
    :当 unknown 和 known 相等时,返回真
unsigned long timeout = jiffies + HZ / 2; /*0.5秒后超时*/

if(time_before(jiffies, timeout)){
/*没有超时,很好*/
}else{
/*超时,发生错误*/
}

0x02 硬件时钟和定时器

体系结构中提供了两种设备进行计时:

  • 系统定时器:提供了一种周期性触发中断机制
  • 实时时钟:用来持久存放系统时间的设备

0x03 Linux 下的时钟中断

I 时钟中断处理程序做的工作

  • 获得 xtime_lock
    锁,对 jiffies_64 和 xtime 进行保护

  • 应答或重新设置系统时钟

  • 周期性使用墙上时间更新实时时钟

  • 调用体系结构无关的时钟例程: do_timer()

II do_timer()

  • jiffies + 1
  • 更新资源消耗的统计值
  • 执行到期的动态定时器
  • 执行 scheduler_tick()
  • 更新墙上时间并存到 xtime 变量中
  • 计算平均负载值

III 从用户空间获取时间

gettimeofday(): 对应系统调用 sys_gettimeofday()

0x04 Linux 内存页

I 内核分配内存特点

  • 内核使用的内存空间有限
  • 内核不支持便捷的内存分配方式
  • 处理内存分配错误难度大
  • 内核分配机制不能太复杂

II 页

  • 内核以物理页为单位分配内存
  • 物理页的大小取决于体系结构
  • page 结构体(定义于
struct page{
unsigned long flags; //存放页的状态
atomic_t _count; //存放页的引用计数
atomic_t _mapcount;
unsigned long private;
struct address_space *mapping;
pgoff_t index;
struct list_head lru;
void *virtual; //页的虚拟地址
}

0x05 Linux 内存区

由于硬件的限制,内核并不能对所有的页一样看待,内核需要对页进行分类,分不同区域

  • Linux 必需处理 2 种由于硬件存在缺陷而引起的内存寻址问题:
    • 一些硬件只能用某些特定的内存地址来执行DMA(Direct Memory Access)
    • 一些体系结构的内存的物理寻址范围比虚拟内存大得多,导致一些内存不能总是映射到内核空间
  • Linux 主要使用了 4 种区:
    • ZONE_DMA: 该区页面用来执行 DMA
    • ZONE_DMA32: 用于 32 位设备执行 DMA
    • ZONE_NORMAL:该区页面都能正常映射
    • ZONE_HIGHEM:该区包含“高端内存”,这里的页不能永久映射到内核空间

0x06 内存管理提供的服务

I 获得页

  • alloc_pages()
  • page_address(struct page* page)
  • __get_free_pages()
  • alloc_page()
  • __get_free_page()

II 获得填充为 0 的页

  • get_zeroed_page()

III 释放页

  • __free_pages()
  • free_pages()
  • free_page()

IV kmalloc()

用于获得以字节为单位的一块连续内存空间:

void *kmalloc (size_t size, gfp_t flags)

V kfree()

该函数用于释放 kmalloc() 分配出的内存块:

void kfree(const void *ptr)

VI vmalloc()

类似 kmalloc(), 但分配的内存空间不连续,释放使用 vfree()

VII slab 层

即 slab 分配器,它扮演了通用数据结构缓存层的角色,是一种缓存机制

本文的版权归作者罗远航 所有,采用 Attribution-NonCommercial 3.0 License
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