一张图看懂Linux内核运行交互关系，值得收藏！

很多朋友如果接触过Linux的都知道Kernel的含义，kernel是 *** 作系统的核心或者最重要的部分。众所周知的是，几乎整个互联网都运行在 Linux上，从网络协议，到服务器，到你平常访问的绝大多数网站，都能看到它的身影，Linux 内核就是最复杂最流行的开源项目之一。

无意中看到MakeLinux 制作的Linux内核交互图，讲的很全面，这里分享给大家。

俗话说“一图胜千言”，下面通过一张完整的 Linux 内核运行原理图，可以很方便地让你学习内核知识。在 Linux 内核中，有许多层次、模块、功能调用和函数。要把其中的每一块儿都弄明白是很不容易的，MakeLinux做了一个非常酷的完整的内核交互图，上面非常清晰地标注了每一个组件部分及之间的关系,这张Linux内核交互图可以很好的帮助你不用一一细读 Linux 内核代码，就能弄明白各个内核子系统间复杂的内部联系。因为比较大，所以这里我做个拆分。

这张图上包含有超过400个关键函数，这400个关键函数被分进了一些主要的子系统，彼此之间的关系用连线标明了，清晰明了。

考虑到很多朋友可能需要原图，所以放百度云了，大家私信 “内核” 就可以领取了。也希望大家帮忙多多转发，谢谢~

上面讲的自旋锁，信号量和互斥锁的实现，都是使用了原子 *** 作指令。由于原子 *** 作会 lock，当线程在多个 CPU 上争抢进入临界区的时候，都会 *** 作那个在多个 CPU 之间共享的数据 lock。CPU 0 *** 作了 lock，为了数据的一致性，CPU 0 的 *** 作会导致其他 CPU 的 L1 中的 lock 变成 invalid，在随后的来自其他 CPU 对 lock 的访问会导致 L1 cache miss（更准确的说是communication cache miss），必须从下一个 level 的 cache 中获取。

这就会使缓存一致性变得很糟，导致性能下降。所以内核提供一种新的同步方式：RCU（读-复制-更新）。

RCU 解决了什么

RCU 是读写锁的高性能版本，它的核心理念是读者访问的同时，写者可以更新访问对象的副本，但写者需要等待所有读者完成访问之后，才能删除老对象。读者没有任何同步开销，而写者的同步开销则取决于使用的写者间同步机制。

RCU 适用于需要频繁的读取数据，而相应修改数据并不多的情景，例如在文件系统中，经常需要查找定位目录，而对目录的修改相对来说并不多，这就是 RCU 发挥作用的最佳场景。

RCU 例子

RCU 常用的接口如下图所示：

为了更好的理解，在剖析 RCU 之前先看一个例子：

#include<linux/kernel.h>#include<linux/module.h>#include<linux/init.h>#include<linux/slab.h>#include<linux/spinlock.h>#include<linux/rcupdate.h>#include<linux/kthread.h>#include<linux/delay.h>structfoo{intastructrcu_headrcu}staticstructfoo*g_ptrstaticintmyrcu_reader_thread1(void*data)//读者线程1{structfoo*p1=NULLwhile(1){if(kthread_should_stop())breakmsleep(20)rcu_read_lock()mdelay(200)p1=rcu_dereference(g_ptr)if(p1)printk("%s: read a=%d\n",__func__,p1->a)rcu_read_unlock()}return0}staticintmyrcu_reader_thread2(void*data)//读者线程2{structfoo*p2=NULLwhile(1){if(kthread_should_stop())breakmsleep(30)rcu_read_lock()mdelay(100)p2=rcu_dereference(g_ptr)if(p2)printk("%s: read a=%d\n",__func__,p2->a)rcu_read_unlock()}return0}staticvoidmyrcu_del(structrcu_head*rh)//回收处理 *** 作{structfoo*p=container_of(rh,structfoo,rcu)printk("%s: a=%d\n",__func__,p->a)kfree(p)}staticintmyrcu_writer_thread(void*p)//写者线程{structfoo*oldstructfoo*new_ptrintvalue=(unsignedlong)pwhile(1){if(kthread_should_stop())breakmsleep(250)new_ptr=kmalloc(sizeof(structfoo),GFP_KERNEL)old=g_ptr*new_ptr=*oldnew_ptr->a=valuercu_assign_pointer(g_ptr,new_ptr)call_rcu(&old->rcu,myrcu_del)printk("%s: write to new %d\n",__func__,value)value++}return0}staticstructtask_struct*reader_thread1staticstructtask_struct*reader_thread2staticstructtask_struct*writer_threadstaticint__initmy_test_init(void){intvalue=5printk("figo: my module init\n")g_ptr=kzalloc(sizeof(structfoo),GFP_KERNEL)reader_thread1=kthread_run(myrcu_reader_thread1,NULL,"rcu_reader1")reader_thread2=kthread_run(myrcu_reader_thread2,NULL,"rcu_reader2")writer_thread=kthread_run(myrcu_writer_thread,(void*)(unsignedlong)value,"rcu_writer")return0}staticvoid__exitmy_test_exit(void){printk("goodbye\n")kthread_stop(reader_thread1)kthread_stop(reader_thread2)kthread_stop(writer_thread)if(g_ptr)kfree(g_ptr)}MODULE_LICENSE("GPL")module_init(my_test_init)module_exit(my_test_exit)

执行结果是：

myrcu_reader_thread2:reada=0myrcu_reader_thread1:reada=0myrcu_reader_thread2:reada=0myrcu_writer_thread:writetonew5myrcu_reader_thread2:reada=5myrcu_reader_thread1:reada=5myrcu_del:a=0

RCU 原理

可以用下面一张图来总结，当写线程 myrcu_writer_thread 写完后，会更新到另外两个读线程 myrcu_reader_thread1 和 myrcu_reader_thread2。读线程像是订阅者，一旦写线程对临界区有更新，写线程就像发布者一样通知到订阅者那里，如下图所示。

写者在拷贝副本修改后进行 update 时，首先把旧的临界资源数据移除（Removal）；然后把旧的数据进行回收（Reclamation）。结合 API 实现就是，首先使用 rcu_assign_pointer 来移除旧的指针指向，指向更新后的临界资源；然后使用 synchronize_rcu 或 call_rcu 来启动 Reclaimer，对旧的临界资源进行回收（其中 synchronize_rcu 表示同步等待回收，call_rcu 表示异步回收）。

为了确保没有读者正在访问要回收的临界资源，Reclaimer 需要等待所有的读者退出临界区，这个等待的时间叫做宽限期（Grace Period）。

Grace Period

中间的黄色部分代表的就是 Grace Period，中文叫做宽限期，从 Removal 到 Reclamation，中间就隔了一个宽限期，只有当宽限期结束后，才会触发回收的工作。宽限期的结束代表着 Reader 都已经退出了临界区，因此回收工作也就是安全的 *** 作了。

宽限期是否结束，与 CPU 的执行状态检测有关，也就是检测静止状态 Quiescent Status。

Quiescent Status

Quiescent Status，用于描述 CPU 的执行状态。当某个 CPU 正在访问 RCU 保护的临界区时，认为是活动的状态，而当它离开了临界区后，则认为它是静止的状态。当所有的 CPU 都至少经历过一次 Quiescent Status 后，宽限期将结束并触发回收工作。

因为 rcu_read_lock 和 rcu_read_unlock 分别是关闭抢占和打开抢占，如下所示：

staticinlinevoid__rcu_read_lock(void){preempt_disable()}

staticinlinevoid__rcu_read_unlock(void){preempt_enable()}

所以发生抢占，就说明不在 rcu_read_lock 和 rcu_read_unlock 之间，即已经完成访问或者还未开始访问。

Linux 同步方式的总结

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学习直通车

就像我们了解的Windows和Mac OS,linux也是一个 *** 作系统。如下图，linux就是系统调用接口和内核那两层。

通过上面的说明，我们知道了 Linux 其实就是一个 *** 作系统最底层的核心及其提供的核心工具，任何人均可取得核心码与可执行这个核心程序，并且可以修改。此外，由于linux参考POSIX设计规范，于是 兼容UNIX *** 作系统，故可称为Unix Like的一种。

为了让一般使用者能够接触到linux，很多的商业公司和非盈利团体，就将linux kernal(含tools)与可运行的软件整合起来，加上自己具有创意的工具程序，这个工具程序可以让用户以光盘/DVD或者透过网络直接安装和管理linux系统。这个 kernal+softwares+tools的可完全安装 ，我们称其为 linux distribution（可完全安装套件、linux发布商套件）

对于linux来说，所有的程序和系统装置都是文件， 一切都是文件。

由于利用 Linux 来开发产品或distributions 的社群/公司与个人很多，若是每个人都用自己的想法来配置文件放置的目录，就会造成个人不能使用他人的linux系统的PC。因为你根本不知道一些基本的配置，文件在哪里，这就造成了混乱。所以，就有所谓的 Filesystem Hierarchy Standard(FHS) 标准出炉了。

也就是说，FHS 的重点在于规范每个特定的目录下应该要放置什么样子的数据而已。

事实上，这个 FHS仅是规范出在根目录 ( / ) 底下各个主要的目录应该是要放置什么样的文件而已。 FHS 定义出两层规范出来，第一层是 / 底下的各个目录应该要放置什么样内容的文件数据，例如 /etc 应该要放置设定档， /bin 与 /sbin 则应该要放置可执行档等等。第二层则是针对 /usr 及 /var 这两个目录的次目录来定义的。 例如 /var/log 放置系统登录文件、 /usr/share放置共享数据等等。

在一个文件系统中，我们总有一个被称为 根目录 的东西，这个根目录里包含了所有其他目录和文件。

在Windows中，可以有好几个根目录，比如说C盘（C:\）是你的硬盘的根目录，H盘可能是你的光盘驱动器的根目录。

Linux中有且只有一个根目录，就是 / 。

如果以较为完整的树状目录来视察的话， 可以将整个 Linux 的树状目录绘制成下图：

Linux是一个真实的、完整的 多用户多任务 的 *** 作系统，多用户多任务就是可以在系统上建立多个用户，而多个用户可以在同一时间内登录同一系统执行各自不同的任务，而互不影响。例如某台Linux服务器上有4个用户，分别是root、www、ftp和MySQL，在同一时间内，root用户可能在查看系统日志，管理维护系统；www用户在修改自己的网页程序；FTP用户可能在上传软件到服务器；MySQL用户在执行自己的sql查询，每个用户互不干扰，有条不紊地进行着自己的工作，而每个用户不能越权访问，比如www用户不能执行MySQL用户的查询 *** 作，FTP用户不能修改www用户的网页程序，由此可知， 不同用户具有不同的权限，每个用户在权限允许的范围内完成不同的任务，Linux正是通过这种权限的划分与管理，实现了多用户多任务的运行机制。

Linux下用户是根据角色定义的，具体分为三种角色：

超级用户 ：系统管理员，拥有对系统的最高管理权限，默认是root用户

普通用户 ：只能对自己目录下的文件进行访问和修改，具有登录系统的权限，例如上面的www、FTP用户等

虚拟用户 ：也叫“伪”用户，这类用户最大的特点就是不能登录系统，他们的存在主要是方便系统管理，满足相应的系统进程对文件属主的要求。例如系统默认的bin、adm、nobody用户等，一般运行的web服务，默认就是使用的nobody用户，但是nobody用户是不能登录系统的。

Linux是一个多用户多任务的分时 *** 作系统，如果要使用系统资源，就必须向系统管理员申请一个账户，然后通过这个账户进入系统。这个账户和用户是一个概念，通过建立不同属性的用户，一方面，可以合理的利用和控制系统资源，另一方面也可以帮助用户组织文件，提供对用户文件的安全性保护。

每个用户有用一个唯一的用户名和用户口令。

用户组是具有相同特征用户的逻辑集合 ，有时我们需要让多个用户具有相同的权限，比如查看、修改某一个文件的权限，一种方法是分别对多个用户进行文件访问授权，如果有10个用户的话，就需要授权10次，显然这种方法不太合理；另一种方法就是建立一个组，让这个组具有查看、修改此文件的权限，然后将所有需要访问此文件的用户放入这个组中，那么所有的用户就具有了和组一样的权限，这就是用户组。 用户分组是Linux系统中对用户进行管理及控制访问权限的一种手段，通过定义用户组，很大程度上简化了管理工作。

用户和用户组的关系有：

一对一：即一个用户可以存在一个组中，也可以是组中的唯一成员

一对多：即一个用户可以存在多个用户组中，那么此用户具有多个组的共同权限。

多对一：多个用户可以存在一个组中，这些用户具有和组相同的权限

多对多：多个用户可以存在多个组中。

linux的语言是c语言写的,c语言是严格区分大小写的,linux命令中大小写也是完全不同的。

终端展现：

登录linux终端后，linux默认的命令行提示信息的格式：

说明 ：有些命令即使你使用su root 切换到root用户，仍无法执行。所以还是建议使用su – root

x （access directory）: x 与能否进入该目录有关

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