Linux Kernelarchitektur

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1 Linux Kernelarchitektur Konzepte, Strukturen und Algorithmen von Kernel 2.6 Bearbeitet von Wolfgang Mauerer 1. Auflage Buch. XIV, 770 S. Hardcover ISBN Format (B x L): 18 x 24,5 cm Gewicht: 1545 g Weitere Fachgebiete > EDV, Informatik > Betriebssysteme > Microsoft Windows Zu Leseprobe schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung und Überblick AufgabendesKerns Implementierungsstrategien Bestandteile des Kernels Prozesse, Taskswitching und Scheduling Unix-Prozesse Aufbau des virtuellen Adressraums Privilegstufen Virtuelle und physikalische Adressräume Seitentabellen Systemaufrufe Gerätetreiber, Block- und Zeichengeräte Netzwerke Dateisysteme Module Caching Listenverwaltung Datentypen Prozessverwaltung Prozessprioritäten Lebenszyklus eines Prozesses Präemptives Multitasking Repräsentation von Prozessen Prozesstypen Prozessidentifikations-Nummern Das Tasknetzwerk Systemaufrufe zur Prozessverwaltung Prozessverdoppelung Kernel-Threads Starten neuer Programme Prozesse beenden Implementierung des Schedulers Prozess-Scheduling Datenstrukturen Priority Scheduling ErweiterungendesSchedulers Echtzeitprozesse SMP-Scheduling Kernel-Präemption... 68

3 VI Inhaltsverzeichnis 3 Speicherverwaltung Überblick Organisation nach dem (N)UMA-Modell Überblick Datenstrukturen Seitentabellen Datenstrukturen Einträge erzeugen und manipulieren Initialisierung der Speicherverwaltung Aufsetzen der Datenstrukturen Architektur-spezifisches Setup Speicherverwaltung während desbootens Verwaltung des physikalischen Speichers Allokator-API Seiten reservieren Seiten zurückgeben Kernallokation unzusammenhängender Seiten Kernelmappings Der Slab-Allokator Speicherverwaltung im Kern Prinzip der Slab-Allokation Implementierung Allgemeine Caches Verwaltung des virtuellen Prozessspeichers Der virtuelle Prozess-Adressraum Datenstrukturen Operationen mit Regionen Adressräume Memory Mappings Reverse Mapping Verwaltung des Heaps Behandlung von Seitenfehlern Korrektur von Userspace-Seitenfehlern Kernel-Seitenfehler Daten kopieren zwischen Kernel- und Userspace Prozessorcache- und TLB-Steuerung Interprozesskommunikation und Locking Steuerungsmechanismen Race Conditions Critical Sections Locking-Mechanismen des Kerns Atomare Operationen Spinlocks Semaphoren Reader/Writer-Locks Das große Kernel-Lock

4 Inhaltsverzeichnis VII 4.3 System V-Interprozesskommunikation System V-Mechanismen Semaphoren Message Queues Shared Memory Andere IPC-Mechanismen Signale Pipes und Sockets Gerätetreiber IO-Architektur Erweiterungshardware Zugriff auf Erweiterungsgeräte Gerätespezialdateien Zeichen-, Block- und sonstige Geräte GerätekontrollemitIoctls Treiberregistrierung VerbindungmitdemDateisystem Gerätedatei-Elemente in Inoden Repräsentation von Major und Minor Number Standard-Dateioperationen Standardoperationen für Zeichengeräte Standardoperationen für Blockgeräte Treiberoperationen Zeichengeräte Blockgeräte Implementierung von Ioctls Ressourcen-Reservierung Ressourcenverwaltung IO-Memory IO-Ports Bussysteme Das allgemeine Driver Model Der PCI-Bus USB Module Moduleverwenden EinfügenundEntfernen Abhängigkeiten Automatisches Laden Abfragen von Moduleigenschaften Module einfügen und löschen Modulrepräsentation AbhängigkeitenundReferenzen Binärer Aufbau von Modulen Module einfügen Module entfernen

5 VIII Inhaltsverzeichnis 6.3 Automatisierung und Hotplugging Automatisches Laden mit kmod Hotplug Versionskontrolle Checksummenverfahren Funktionen zur Versionskontrolle Das virtuelle Dateisystem Dateisystemtypen Das Common File Model Inoden Verknüpfungen Programmierschnittstelle Dateien als Universalschnittstelle Aufbau des VFS Strukturüberblick Inoden Prozesspezifische Informationen Dateioperationen Dentry-Cache Arbeiten mit VFS-Objekten Dateisystemoperationen Dateioperationen Standardfunktionen Generische Leseroutine Der nopage-mechanismus Dateisystemimplementierungen Second Extended Filesystem Physikalischer Aufbau Datenstukturen Anlegen des Dateisystems Dateisystemaktionen Third Extended Filesystem Konzepte Datenstrukturen Das proc-dateisystem Inhalt von /proc Datenstrukturen Initialisierung EinhängendesDateisystems Verwaltung von /proc-einträgen Informationen lesen und schreiben Taskbezogene Informationen Der System Control-Mechanismus

6 Inhaltsverzeichnis IX 9 Netzwerke VerketteteComputer ISO/OSI- und TCP/IP-Referenzmodell Kommunikation übersockets Anlegen eines Sockets Verwendung von Sockets Datagram-Sockets Das Schichtmodell der Netzwerkimplementierung Socketpuffer Datenverwaltung mit Socketpuffern Verwaltungsdaten eines Socketpuffers Datenübertragungsschicht Repräsentation von Netzwerkgeräten Empfangen von Paketen Senden von Paketen Vermittlungsschicht IPv Empfangen von Paketen Lokale Auslieferung an die Transportschicht Paketweiterleitung Pakete senden Netfilter IPv Transportschicht UDP TCP Anwendungsschicht Socket-Datenstrukturen Sockets und Dateien Der socketcall-systemaufruf Sockets erzeugen Daten empfangen Daten versenden Systemaufrufe Grundlagen der Systemprogrammierung Verfolgung von Systemaufrufen Unterstützte Standards Restarting system calls Vorhandene Systemaufrufe Realisierung von Systemaufrufen Struktur von Systemcalls Zugriffe auf den Userspace Systemcall-Tracing Systemaufrufe vom Kernel aus

7 X Inhaltsverzeichnis 11 Kernel-Aktivitäten und Zeitfluss Interrupts Interrupt-Typen Hardware-IRQs Bearbeiten von Interrupts Initialisierung und Reservierung von IRQs Abarbeiten von IRQs Software-Interrupts Starten der SoftIRQ-Verarbeitung Der SoftIRQ-Daemon Tasklets und Work Queues Tasklets Wait Queues und Completions Wait Queues Completions Work Queues Kerneltimer Einsatz von Timern Zeitdomänen Der Timer-Interrupt Datenstrukturen Dynamische Timer Aktivierung neuer Timer Implementierung der timerbezogenen Systemaufrufe Verwaltung der Prozesszeiten Page- und Buffer-Cache Struktur des Page-Caches Verwalten und Finden gecacheter Seiten ZurückschreibenmodifizierterDaten DerBuffer-Cache Adressräume Datenstrukturen Seitenbäume Operationen auf Adressräumen Implementierung des Puffer-Caches Datenstrukturen Operationen Zusammenspiel von Page und Buffer Cache Eigenständige Puffer Operationen mit ganzen Seiten Datensynchronisation pdflush Starten eines neuen Threads Thread-Initialisierung DurchführenderArbeit Periodisches Zurückschreiben

8 Inhaltsverzeichnis XI 13.6 Assoziierte Datenstrukturen Seitenstatus Writeback-Kontrolle Anpassbare Parameter Zentrale Steuerung Superblock-Synchronisation Inoden-Synchronisation Verstopfungen Zurückschreiben unter Druck Systemaufrufe zur Synchronisationskontrolle Vollständige Synchronisierung Synchronisieren der Inoden Synchronisieren einzelner Dateien Synchronisieren von Memory Mappings Swapping Überblick Auslagerbare Seiten Page Thrashing Algorithmen zur Seitenersetzung Swapping im Linux-Kernel Organisation des Swap-Bereichs ÜberprüfenderSpeicherauslastung Auswahl auszulagernder Seiten Behandlung von Page Faults Verkleinern von Kernelcaches Verwaltung von Swap-Bereichen Datenstrukturen Anlegen Aktivieren eines Swap-Bereichs Der Swap-Cache Identifikation ausgelagerter Seiten Aufbau des Caches EinfügenneuerSeiten Suchen einer Seite ZurückschreibenderDaten Seitenauswahl Swap Policy Überblick Datenstrukturen Verkleinern von Zonen Auffüllen der inactive-liste Auslagern inaktiver Seiten Behandlung von Page Faults Einlagern der Seite Lesen der Daten Swap-Readahead

9 XII Inhaltsverzeichnis 14.8 Auslösen des Swappings Periodisches Auslagern mit kswapd Auslagern bei akuter Speicherknappheit Verkleinern anderer Caches Datenstrukturen Registrieren und Entfernen von Shrinkern Cache-Verkleinerung Literaturverzeichnis Index Symbole Folgende Anhänge sind online auf verfügbar: A Architekturspezifisches B Arbeiten mit dem Quellcode C Anmerkungen zu C D Systemstart E Das ELF-Binärformat