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Linux 内核是一个庞大而复杂的系统,涵盖多个核心模块。针对你提到的关键词(内存调优、文件系统、进程管理、设备驱动、网络协议栈),以下是一些关键分析方向和学习建议,结合理论与实践帮助你深入理解:
1. 内存管理 & 调优
- 核心机制:
- 物理内存管理:伙伴系统(Buddy System)解决外部碎片,slab/slub 分配器解决内部碎片。
- 虚拟内存:MMU、页表机制(多级页表)、缺页中断处理。
- 内存回收:LRU 算法、kswapd 机制、OOM Killer 触发逻辑。
- 透明大页(THP):通过 mmap 或 shm 使用大页减少 TLB 未命中。
- 调优技巧:
- 调整 vm.swappiness 控制交换倾向。
- 使用 cgroups v2 限制进程内存使用。
- 分析工具:vmstat, slabtop, perf 跟踪内存分配热点。
- 源码重点:
- mm/ 目录下的核心代码(如 page_alloc.c, vmscan.c)。
- 内存回收路径:shrink_node() 函数逻辑。
2. 文件系统(VFS & 具体文件系统)
- VFS 抽象层:
- 四大对象:super_block, inode, dentry, file。
- 文件读写流程:系统调用 → VFS → 具体文件系统(如 ext4) → 块设备层。
- Ext4/XFS/Btrfs 对比:
- Ext4:日志机制(journaling)、延迟分配。
- XFS:高性能大文件处理、动态 inode 分配。
- Btrfs:COW、快照、RAID 支持。
- 调优方向:
- 调整文件系统日志模式(data=ordered/journal/writeback)。
- 使用 ionice 控制 I/O 优先级。
- 挂载参数优化(如 noatime, nodiratime)。
- 源码分析:
- fs/ 目录结构,重点关注 fs/ext4/, fs/xfs/。
- 文件读写流程:vfs_read(), vfs_write() → 具体文件系统的 read_iter()/write_iter 方法。
3. 进程管理
- 核心机制:
- 进程调度:CFS(完全公平调度器)的 vruntime 计算,实时进程的 SCHED_FIFO/SCHED_RR。
- 进程创建:fork() → clone() → copy_process() 的 COW 机制。
- 线程实现:内核线程(kthreadd)与用户态线程(pthread)的区别。
- 性能分析:
- perf sched 分析调度延迟。
- ftrace 跟踪进程切换(sched_switch 事件)。
- 调整 CPU 亲和性(taskset 或 cpuset)。
- 源码重点:
- 调度器代码:kernel/sched/fair.c(CFS 实现)。
- 进程创建:kernel/fork.c 中的 _do_fork()。
4. 设备驱动
- 驱动模型:
- 字符设备、块设备、网络设备驱动的注册与操作集(file_operations)。
- 设备树(Device Tree)在 ARM 平台的应用。
- 关键技术:
- 中断处理:顶半部(ISR)与底半部(tasklet/softirq/workqueue)。
- DMA 传输:一致性 DMA 与流式 DMA。
- 内核模块开发:insmod/rmmod、符号导出。
- 调试技巧:
- printk 动态调试(CONFIG_DYNAMIC_DEBUG)。
- 使用 devmem2 直接读写物理地址。
- 源码示例:
- 简单字符设备驱动:drivers/char/mem.c。
- 复杂驱动案例:网卡驱动(如 drivers/net/ethernet/intel/e1000)。
5. 网络协议栈
- 数据流路径:
- 发送:应用层 → socket → TCP/IP 栈 → 网卡队列。
- 接收:网卡硬中断 → NAPI 轮询 → 协议处理 → 用户态。
- 关键优化:
- 调整 TCP 缓冲区大小(net.ipv4.tcp_rmem/wmem)。
- 多队列网卡与 RSS(Receive Side Scaling)绑定 CPU。
- XDP(eXpress Data Path)实现高性能网络处理。
- 源码分析:
- TCP 连接建立:tcp_v4_connect() → 三次握手。
- 数据包接收:netif_receive_skb() → 协议分发。
- 网络设备驱动:ndo_start_xmit() 方法实现。