《奔跑吧 Linux內核》之Linux內核奔跑卷

Linux內核奔跑卷

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在閱讀本書以前，請讀者用兩小時來完成Linux內核奔跑卷，對Linux內核瞭解程度作簡要的瞭解。奔跑卷僅僅是Linux內核知識的娛樂遊戲節目，但願能給讀者帶來一絲樂趣，套用國內某個科技圈裏知名人士的名言「不服，來跑個分吧！」。

下面一共20道大題目，每道大題目10分，一共200分，讀者能夠邊閱讀內核源代碼邊作題目，請在兩小時內完成。如沒有特殊說明，本奔跑卷基於Linux 4.0內核和ARM32/ ARM64體系架構。

1．請簡述在你所熟悉的處理器中（好比雙核Cortex-A9）一條存儲讀寫指令的執行全過程。

2．在一個32KB的4路組相聯的cache中，其中cache line爲32Byte，請畫出這個cache組相聯的結構圖。

3．內核的一級頁表和二級頁表存放在什麼地方？用戶進程的一級頁表和二級頁表分別存放在什麼地方？

4．關於夥伴系統的幾個小問題：

• 系統初始化時，物理內存頁面是如何添加到夥伴系統中的？


• 系統運行時間長了物理內存會出現碎片化，夥伴系統如何避免物理內存的碎片化？

5．關於物理頁面內存分配器的幾個小問題：

• 請簡述Linux內核在理想狀況下頁面分配器（page allocator）是如何分配出連續物理頁面的？


• 如何從分配掩碼中肯定能夠從哪些zone中分配內存？


• 頁面分配器是按照什麼方向來掃描zone的？

6．關於slab分配器幾個小問題：

• slab分配器是如何分配和釋放小內存塊的？


• slab分配器中有一個着色的概念（cache color），着色有什麼做用？


• slab分配器中的slab對象有沒有根據per-cpu作一些優化，爲何？

7．用戶進程使用malloc()來分配10個page大小的內存，請問內核是否立刻分配物理內存？請描述malloc()在內核空間的實現過程。

8．關於struct page數據結構的幾個小問題：

• struct page數據結構中的_count和_mapcount有什麼區別？


• 匿名頁面和文件緩衝頁面有什麼區別？


• trylock_page()和lock_page()有什麼區別？

9．關於頁面回收的幾個小問題：

• LRU鏈表如何知道page的活動頻繁程度？


• kswapd是按照什麼方向來掃描zone的？


• 內核有哪些頁面會被kswapd寫回到交換分區？


• 當page加入到lru鏈表中，被其餘線程釋放了這個page，那麼lru鏈表如何知道這個page已經被釋放了？

10．關於內存管理的幾個重要的數據結構的關係，如mm、vma、page、vaddr、paddr：

• 如何由mm數據結構和虛擬地址vaddr找到對應的VMA？


• 如何由page和VMA找到虛擬地址vaddr?


• 如何由page找到全部映射的VMA？


• 如何由VMA和虛擬地址vaddr，找出相應的page數據結構？

11．關於缺頁中斷和虛擬內存的幾個小問題：

• 若是用戶進程使用只讀屬性（PROT_READ）來mmap映射一個文件到用戶空間，而後使用memcpy來寫這段內存空間，會是什麼樣的狀況？


• 若是多個VMA的虛擬頁面同時映射了同一個匿名頁面，那麼此時page->index應該等於多少？

12．關於進程的幾個小問題：

• 在內核中如何獲取當前進程的task_struct數據結構？


• 下面小代碼片斷裏，最後會打印出什麼？

int main(void)
{
    int i;
    for(i=0; i<2; i++){
         fork();
         printf("-\n");
    }
         wait(NULL);
         wait(NULL);
         return 0;
}複製代碼

• 優先級、nice和權重之間有什麼關係？

13．關於CFS調度器的幾個小問題：

• 請簡述CFS調度器是如何工做的？


• vruntime是如何計算的？


• min_vruntime有什麼做用？


• 對新建立的進程和剛喚醒的進程有何關照？

14．關於SMP負載均衡的幾個小問題：

• 普通進程的平均負載load_avg_contrib是如何計算的？runnable_avg_sum和runnable_avg_period是什麼含義？


• 一個4核處理器裏每一個物理CPU核有獨立L1 cache而且只有一個線程，分紅兩個簇cluster0和cluster1，每一個簇包含兩個物理CPU核，簇中的CPU核共享L2 cache。請畫出該處理器在Linux內核裏調度域和調度組的拓撲關係圖。

15．關於spinlock的幾個小問題：

爲何spinlock的臨界區不能睡眠（不考慮RT-Linux的狀況）？

若是在spin_lock()和spin_unlock()的臨界區中發生了中斷，而且中斷處理程序恰巧也修改了該臨界資源，那麼會發生什麼後果？如何避免？

Ticket-based的spinlock機制是如何實現的？有什麼優缺點？

16．讀寫信號量使用的自旋等待機制（optimistic spinning）是如何實現的？

17．關於RCU的幾個小問題：

• 請解釋Quiescent State和Grace Period？


• 在mm/oom_kill.c的select_bad_process()函數中爲何要使用rcu_read_lock()？何時註冊RCU回調函數呢？

18．關於中斷的幾個小問題：

• 硬件中斷號和Linux內核的IRQ中斷號是如何映射的？


• 一個硬件中斷髮生以後，Linux內核是如何響應並處理該中斷的？


• 爲何說中斷上下文不能執行睡眠操做？

19．關於軟中斷的幾個小問題：

• 軟中斷回調函數的執行過程當中是否容許響應本地中斷？


• 同一類型的軟中斷是否容許多個CPU並行執行？


• 是否容許同一個Tasklet在多個CPU上並行執行？

20．關於workqueue的幾個小問題：

• workqueue是運行在中斷上下文，仍是進程上下文？其回調函數容許睡眠嗎？


• 若是有多個work掛入到一個工做線程中執行，當某個work的回調函數執行了阻塞操做，那麼剩下的work該怎麼辦？

答案：

奔跑卷的答案都分佈在本書的各個章節。

若是答對了90%以上，那麼恭喜您，您是深刻了解Linux內核的高手，本書可能不適合您，不過您能夠轉給身邊有須要的小夥伴。

若是答對了30%以上，那麼您對Linux內核有必定的瞭解，固然本書也適合您繼續深刻了解。

若是答對題目少於30%，那麼您還不是十分了解和精通Linux哦。如今就開始閱讀本書，與笨叔叔和小企鵝一塊兒快樂奔跑吧！固然您也能夠先閱讀Robert Love的《Linux內核設計與實現》，或者《Linux設備驅動程序》，而後再閱讀本書。