Linux内核奔跑卷

在阅读本书之前，请读者用两小时来完成Linux内核奔跑卷，对Linux内核了解程度做简要的了解。奔跑卷仅仅是Linux内核知识的娱乐游戏节目，希望能给读者带来一丝乐趣，套用国内某个科技圈里知名人士的名言“不服，来跑个分吧！”。

下面一共20道大题目，每道大题目10分，一共200分，读者可以边阅读内核源代码边做题目，请在两小时内完成。如没有特殊说明，本奔跑卷基于Linux 4.0内核和ARM32/ ARM64体系架构。

1．请简述在你所熟悉的处理器中（比如双核Cortex-A9）一条存储读写指令的执行全过程。

2．在一个32KB的4路组相联的cache中，其中cache line为32Byte，请画出这个cache组相联的结构图。

3．内核的一级页表和二级页表存放在什么地方？用户进程的一级页表和二级页表分别存放在什么地方？

4．关于伙伴系统的几个小问题：

  • 系统初始化时，物理内存页面是如何添加到伙伴系统中的？
  • 系统运行时间长了物理内存会出现碎片化，伙伴系统如何避免物理内存的碎片化？

5．关于物理页面内存分配器的几个小问题：

  • 请简述Linux内核在理想情况下页面分配器（page allocator）是如何分配出连续物理页面的？
  • 如何从分配掩码中确定可以从哪些zone中分配内存？
  • 页面分配器是按照什么方向来扫描zone的？

6．关于slab分配器几个小问题：

  • slab分配器是如何分配和释放小内存块的？
  • slab分配器中有一个着色的概念（cache color），着色有什么作用？
  • slab分配器中的slab对象有没有根据per-cpu做一些优化，为什么？

7．用户进程使用malloc()来分配10个page大小的内存，请问内核是否马上分配物理内存？请描述malloc()在内核空间的实现过程。

8．关于struct page数据结构的几个小问题：

  • struct page数据结构中的_count和_mapcount有什么区别？
  • 匿名页面和文件缓冲页面有什么区别？
  • trylock_page()和lock_page()有什么区别？

9．关于页面回收的几个小问题：

  • LRU链表如何知道page的活动频繁程度？
  • kswapd是按照什么方向来扫描zone的？
  • 内核有哪些页面会被kswapd写回到交换分区？
  • 当page加入到lru链表中，被其他线程释放了这个page，那么lru链表如何知道这个page已经被释放了？

10．关于内存管理的几个重要的数据结构的关系，如mm、vma、page、vaddr、paddr：

  • 如何由mm数据结构和虚拟地址vaddr找到对应的VMA？
  • 如何由page和VMA找到虚拟地址vaddr?
  • 如何由page找到所有映射的VMA？
  • 如何由VMA和虚拟地址vaddr，找出相应的page数据结构？

11．关于缺页中断和虚拟内存的几个小问题：

  • 如果用户进程使用只读属性（PROT_READ）来mmap映射一个文件到用户空间，然后使用memcpy来写这段内存空间，会是什么样的情况？
  • 如果多个VMA的虚拟页面同时映射了同一个匿名页面，那么此时page->index应该等于多少？

12．关于进程的几个小问题：

  • 在内核中如何获取当前进程的task_struct数据结构？
  • 下面小代码片段里，最后会打印出什么？
int main(void)
{
    int i;
    for(i=0; i<2; i++){
         fork();
         printf("-\n");
    }
         wait(NULL);
         wait(NULL);
         return 0;
}
  • 优先级、nice和权重之间有什么关系？

13．关于CFS调度器的几个小问题：

  • 请简述CFS调度器是如何工作的？
  • vruntime是如何计算的？
  • min_vruntime有什么作用？
  • 对新创建的进程和刚唤醒的进程有何关照？

14．关于SMP负载均衡的几个小问题：

  • 普通进程的平均负载load_avg_contrib是如何计算的？runnable_avg_sum和runnable_avg_period是什么含义？
  • 一个4核处理器里每个物理CPU核有独立L1 cache并且只有一个线程，分成两个簇cluster0和cluster1，每个簇包含两个物理CPU核，簇中的CPU核共享L2 cache。请画出该处理器在Linux内核里调度域和调度组的拓扑关系图。

15．关于spinlock的几个小问题：

  • 为什么spinlock的临界区不能睡眠（不考虑RT-Linux的情况）？
  • 如果在spin_lock()和spin_unlock()的临界区中发生了中断，并且中断处理程序恰巧也修改了该临界资源，那么会发生什么后果？如何避免？
  • Ticket-based的spinlock机制是如何实现的？有什么优缺点？
  • 16．读写信号量使用的自旋等待机制（optimistic spinning）是如何实现的？17．关于RCU的几个小问题：
  • 18．关于中断的几个小问题：

  • 19．关于软中断的几个小问题：

  • 20．关于workqueue的几个小问题：

  • 答案：

    奔跑卷的答案都分布在本书的各个章节。

    如果答对了90%以上，那么恭喜您，您是深入了解Linux内核的高手，本书可能不适合您，不过您可以转给身边有需要的小伙伴。

    如果答对了30%以上，那么您对Linux内核有一定的了解，当然本书也适合您继续深入了解。

    如果答对题目少于30%，那么您还不是十分了解和精通Linux哦。现在就开始阅读本书，与笨叔叔和小企鹅一起快乐奔跑吧！当然您也可以先阅读Robert Love的《Linux内核设计与实现》，或者《Linux设备驱动程序》，然后再阅读本书。

  • workqueue是运行在中断上下文，还是进程上下文？其回调函数允许睡眠吗？
  • 如果有多个work挂入到一个工作线程中执行，当某个work的回调函数执行了阻塞操作，那么剩下的work该怎么办？