Linux 内核结构与进程管理
? Linux系统结构
L i n u x K e r n e l
M o d u l e s
D e v i c e
D r i v e r s
M
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S y s t e m C a l l I n t e r f a c e ( P O S I X, 1 ),s h e l l,G U I,C o m p i l e r,L i b r a r y,e t c,
P P P P P
硬 件 层
L i n u x 内 核 层
用 户 进 程
O t h e r
D e v i c e s
C P U
D i s k
O S 服 务 层
Linux kernel,开放源代码的 linux操作系统内核，目前版本为 2.6
Linux内核组成
1,进程调度程序（ S C H E D）负责控制进程访问 C P U。保证进程能够公平地访问 C P U，
同时保证内核可以准时执行一些必需的硬件操作。
2,内核管理程序（ M M）使多个进程可以安全地共享机器的主存系统，并支持虚拟内存。
3,虚拟文件系统（ V F S）。通过提供一个所有设备的公共文件接口,V F S抽象了不同硬
件设备的细节。此外,V F S支持与其他操作系统兼容的不同的文件系统格式。
4,网络接口（ N E T）提供对许多建网标准和网络硬件的访问。
5,进程间通信（ I P C）子系统为进程与进程之间的通信提供了一些机制。
这些子系统虽然实现的功能相对独立，但存在着较强的依赖性（调用依赖模块中相应的函数
），所以说 linux内核是 单块结构（ monolithic） 的，而 windows体系结构是 微内核
(microkernel)的。
Linux启动流程
1,从 BIOS到 KERNEL
MBR－ >KERNEL－ >KERNEL自解压－ >内核初始化－ >内核启动 （ start_kernel函
数，在 linux内核源代码树的 /usr/src/linux/init/main.c中 ）
2,内核启动：创建 1＃进程并执行，由它创建若干内核线程（ kernel thread），然
后装入并执行程序 /sbin/init（变成一个用户进程）。此后,init根据 /etc/inittab
配置文件 来执行相应的脚本进行系统初始化，如设置键盘、字体，装载模块，设
置网络等
对于 Redhat来说，执行的顺序为：
/etc/rc.d/rc.sysinit # 由 init执行的第一个脚本
/etc/rc.d/rc $RUNLEVEL # $RUNLEVEL为缺省的运行模式
/etc/rc.d/rc.local #运行模式 2,3,5时会运行的脚本
/sbin/mingetty（或 getty） # 等待用户登录
/etc/inittab中指定了系统的运行级别（ RUNLEVEL）,init根据运行级别启动相
关的服务（一些后台进程），实现不同的功能。
RUNLEVEL:0－ 6
0,halt,1：单用户,2：多用户,3：多用户并启动 NFS服务
4：保留,5：运行 xdm（ X window） 以图形界面方式登录
6,reboot
Linux中用户登陆流程
linux进程的四要素
?程序
?PCB
?地址空间
?系统堆栈空间
PCB：进程创建时内核为其分配的一个核心数据结构, 进程自身不
能直接存取 。
系统堆栈空间：进程运行在核心态时使用的堆栈, 和 PCB连在一起,
共 8KB,其中 PCB约占 1000字节, 系统堆栈空间约占 7200字节 。
2.2 内核中 linux进程个数有最大值限制（ 4092）。但 2.4以后，系统中
的进程个数受限于系统的物理内存数，即限定所有进程的 PCB及
系统堆栈（ 8K）占用的空间 ≤1/2的物理内存总和。例 64M内存：
进程数 ≤64M/2/8K=4K
PCB中的重要信息
? 身份信息,pid,uid,gid,euid,egid等；
? 状态信息,running,interruptible,non-interruptible,
stopped,zombie
? 调度信息,policy,priority,rt_priorty,need_resched
? policy即进程的类别，分 SCHED_FIFO,SCHED_RR,
SCHED_OTHER三种，前两种为实时进程，后一种为非实时进程
? IPC信息：如定义对某些信号的处理等
? 家族信息：父进程、兄弟进程、子进程信息
? 时钟和定时信息
? 文件系统
? 存储管理
进程的创建
? 进程创建,fork,clone,vfork
? 父子进程共享资源的形式
? a.不共享（ fork时缺省）
? b.部分共享
? c.完全共享（线程）
#include <stdio.h>
int myvar=0;
void main()
{
int pid;
pid = fork(); //system call
if (pid < 0 ) { //error occurred
printf(“fork failed.”);
exit(-1); //system call
}
else if (pid == 0 ) { //child process
printf(“child process executing… \n”);
myvar = 1;
}
else { //parent process
wait(); //system call,wait for children completion
printf(“child complete.”);
myvar ++;
printf(“father,myvar=%d”,myvar);
exit(0);
}
}
fork实例
进程调度
? 调度时机
a,用户进程自愿放弃 CPU，如执行 sleep()系统调用；
b.系统调用中, 需要等待时, 直接调用 schedule()进行调度；
c.系统调用、中断或异常处理完成后，返回到用户空间前，若当前进程
的 PCB中的 need_resched = 1，则发生调度；
? 调度策略：基于进程的权值（ weight，即动态优先级）
实时进程,weight = 1000+rt_priority （ >1000）
分时进程,weight = counter + 20 – nice （ <1000）
其中,rt_priority：是实时进程的优先级
counter：进程还剩余的时间片值
nice:进程优先级的调整值 （均在进程的 PCB中标识）
硬件时钟
（晶振，
CMOS电路
）
定时器
8253 中断控制器 8259 CPU
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用 户 进 程
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O S 服 务 层
Linux kernel,开放源代码的 linux操作系统内核，目前版本为 2.6
Linux内核组成
1,进程调度程序（ S C H E D）负责控制进程访问 C P U。保证进程能够公平地访问 C P U，
同时保证内核可以准时执行一些必需的硬件操作。
2,内核管理程序（ M M）使多个进程可以安全地共享机器的主存系统，并支持虚拟内存。
3,虚拟文件系统（ V F S）。通过提供一个所有设备的公共文件接口,V F S抽象了不同硬
件设备的细节。此外,V F S支持与其他操作系统兼容的不同的文件系统格式。
4,网络接口（ N E T）提供对许多建网标准和网络硬件的访问。
5,进程间通信（ I P C）子系统为进程与进程之间的通信提供了一些机制。
这些子系统虽然实现的功能相对独立，但存在着较强的依赖性（调用依赖模块中相应的函数
），所以说 linux内核是 单块结构（ monolithic） 的，而 windows体系结构是 微内核
(microkernel)的。
Linux启动流程
1,从 BIOS到 KERNEL
MBR－ >KERNEL－ >KERNEL自解压－ >内核初始化－ >内核启动 （ start_kernel函
数，在 linux内核源代码树的 /usr/src/linux/init/main.c中 ）
2,内核启动：创建 1＃进程并执行，由它创建若干内核线程（ kernel thread），然
后装入并执行程序 /sbin/init（变成一个用户进程）。此后,init根据 /etc/inittab
配置文件 来执行相应的脚本进行系统初始化，如设置键盘、字体，装载模块，设
置网络等
对于 Redhat来说，执行的顺序为：
/etc/rc.d/rc.sysinit # 由 init执行的第一个脚本
/etc/rc.d/rc $RUNLEVEL # $RUNLEVEL为缺省的运行模式
/etc/rc.d/rc.local #运行模式 2,3,5时会运行的脚本
/sbin/mingetty（或 getty） # 等待用户登录
/etc/inittab中指定了系统的运行级别（ RUNLEVEL）,init根据运行级别启动相
关的服务（一些后台进程），实现不同的功能。
RUNLEVEL:0－ 6
0,halt,1：单用户,2：多用户,3：多用户并启动 NFS服务
4：保留,5：运行 xdm（ X window） 以图形界面方式登录
6,reboot
Linux中用户登陆流程
linux进程的四要素
?程序
?PCB
?地址空间
?系统堆栈空间
PCB：进程创建时内核为其分配的一个核心数据结构, 进程自身不
能直接存取 。
系统堆栈空间：进程运行在核心态时使用的堆栈, 和 PCB连在一起,
共 8KB,其中 PCB约占 1000字节, 系统堆栈空间约占 7200字节 。
2.2 内核中 linux进程个数有最大值限制（ 4092）。但 2.4以后，系统中
的进程个数受限于系统的物理内存数，即限定所有进程的 PCB及
系统堆栈（ 8K）占用的空间 ≤1/2的物理内存总和。例 64M内存：
进程数 ≤64M/2/8K=4K
PCB中的重要信息
? 身份信息,pid,uid,gid,euid,egid等；
? 状态信息,running,interruptible,non-interruptible,
stopped,zombie
? 调度信息,policy,priority,rt_priorty,need_resched
? policy即进程的类别，分 SCHED_FIFO,SCHED_RR,
SCHED_OTHER三种，前两种为实时进程，后一种为非实时进程
? IPC信息：如定义对某些信号的处理等
? 家族信息：父进程、兄弟进程、子进程信息
? 时钟和定时信息
? 文件系统
? 存储管理
进程的创建
? 进程创建,fork,clone,vfork
? 父子进程共享资源的形式
? a.不共享（ fork时缺省）
? b.部分共享
? c.完全共享（线程）
#include <stdio.h>
int myvar=0;
void main()
{
int pid;
pid = fork(); //system call
if (pid < 0 ) { //error occurred
printf(“fork failed.”);
exit(-1); //system call
}
else if (pid == 0 ) { //child process
printf(“child process executing… \n”);
myvar = 1;
}
else { //parent process
wait(); //system call,wait for children completion
printf(“child complete.”);
myvar ++;
printf(“father,myvar=%d”,myvar);
exit(0);
}
}
fork实例
进程调度
? 调度时机
a,用户进程自愿放弃 CPU，如执行 sleep()系统调用；
b.系统调用中, 需要等待时, 直接调用 schedule()进行调度；
c.系统调用、中断或异常处理完成后，返回到用户空间前，若当前进程
的 PCB中的 need_resched = 1，则发生调度；
? 调度策略：基于进程的权值（ weight，即动态优先级）
实时进程,weight = 1000+rt_priority （ >1000）
分时进程,weight = counter + 20 – nice （ <1000）
其中,rt_priority：是实时进程的优先级
counter：进程还剩余的时间片值
nice:进程优先级的调整值 （均在进程的 PCB中标识）
硬件时钟
（晶振，
CMOS电路
）
定时器
8253 中断控制器 8259 CPU
