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）

在

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

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

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