理解Linux进程管理

Question

我试着理解Linux内核的内部结构、进程管理和上下文切换过程。就我所理解的教程(来自这个社区、IBM等)而言，内核是在按power按钮之后由引导加载器加载的。然后启动调度程序并创建最终init进程，该进程负责启动所有其他进程。

因此，过了一段时间，就会发生上下文切换。在此上下文切换期间，内核查看新进程的页表，并将其加载到MMU的TLB中(如果必要的话)。内核是否将整个页面表(对于32位系统上的4GB虚拟内存)加载到MMU中？这个表交换是如何工作的，因为据我所知，在所有进程中，前1GB的内存都会出现，而不是交换掉，因为这是内核内存？所有进程的页表是否包含前1GB内存的直接映射，从而将前1GB的虚拟内存直接映射到1GB的物理内存中？

有没有一些关于这个上下文转换是如何工作的文档，因为我找不到像我这样解释这件事的文档。

Answer 1

每个进程都有自己的一组页面页，覆盖32位x86机器上的低3GB。32位计算机上的前1GB对于所有进程来说都是通用的，并且无法从用户空间访问。前1GB是为内核保留的，最初包含一个由3GB偏移的整个物理RAM的映射。这意味着物理内存地址0在虚拟地址0xc0000000可见，物理内存地址1在地址0xc0000001可见，依此类推。当内存大小超过1GB限制时，就开始通过"highmem“窗口访问多余的物理内存。

在x86-64上，地址空间的上半部分保留给内核，下半部保留给用户空间。请注意，当前的硬件不允许使用整个64位地址空间:通常只有48位地址位是可用的，上16位必须是所有零或所有位。(可用位的确切数量取决于CPU模型。)

在上下文切换时，映射的用户空间部分被替换为新进程的映射，但是内核部分保持不变。整个4GB内存空间没有映射，只有实际使用的部分。这允许一个小得多的页面表树。初始映射由包含要运行的程序的ELF文件确定。在动态分配新内存、使用mmap映射或自动扩展堆栈时，将根据需要修改页表。

调度程序没有“启动”，因为它不是一个单独的进程。当正在运行的进程需要等待输入或其他事件时，或者当当前进程用完了其时间片时，内核将重新安排进程。每个进程处于几种状态之一，比如等待某个事件、准备运行或运行。当内核进行重新安排时，它会检查已准备好运行的进程列表，并选择一个(每个CPU)来运行下一步。

另外，翻译查找缓冲区(TLB)不是由内核直接加载的(在x86处理器上)。软件只修改页面表，硬件在运行时根据需要自动填充TLB中的条目。TLB可以通过软件进行刷新；这需要在上下文切换时完成。

有几本书是关于Linux内核内部的(例如“理解Linux内核”)，但现在大多数都已经很老了。但是，即使他们不再是很好的参考资料，他们中的许多确实提供了相关的信息，但是你必须记住，很多事情已经改变了。