linux内核揭秘_UNIX/LINUX

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01 前言

本文主要讲解什么是Linux内核，以及通过多张图片展示Linux内核的作用与功能，以便于读者能快速理解什么是Linux内核，能看懂Linux内核。
拥有超过1300万行的代码，Linux内核是世界上最大的开源项目之一，但是内核是什么，它用于什么?

02 什么是内核

内核是与计算机硬件接口的易替换软件的最低级别。它负责将所有以“用户模式”运行的应用程序连接到物理硬件，并允许称为服务器的进程使用进程间通信(IPC)彼此获取信息。

03 内核还要分种类？

3.1 微内核

微内核只管理它必须管理的东西:CPU、内存和IPC。计算机中几乎所有的东西都可以被看作是一个附件，并且可以在用户模式下处理。微内核具有可移植性的优势，因为只要操作系统仍然试图以相同的方式访问硬件，就不必担心您是否更改了视频卡，甚至是操作系统。微内核对内存和安装空间的占用也非常小，而且它们往往更安全，因为只有特定的进程在用户模式下运行，而用户模式不具有管理员模式的高权限。

3.1.1 Pros

• 可移植性
• 安装占用空间小
• 小内存占用
• 安全

3.1.2 Cons

• 通过驱动程序，硬件更加抽象
• 硬件可能反应较慢，因为驱动程序处于用户模式
• 进程必须在队列中等待才能获得信息
• 进程不能在不等待的情况下访问其他进程

3.2 单内核

单内核与微内核相反，因为它们不仅包含CPU、内存和IPC，而且还包含设备驱动程序、文件系统管理和系统服务器调用等内容。单内核更擅长于访问硬件和多任务处理，因为如果一个程序需要从内存或运行中的其他进程中获取信息，那么它就有一条更直接的线路来访问信息，而不需要在队列中等待来完成任务。但是，这可能会导致问题，因为在管理模式下运行的东西越多，如果行为不正常，就会有越多的东西导致系统崩溃。

3.2.1 Pros

• 更直接地访问程序的硬件
• 流程之间更容易通信
• 如果支持您的设备，它应该不需要额外安装就可以工作
• 进程反应更快，因为没有等待处理器时间的队列

3.2.2 Cons

• 较大安装体积
• 较大内存占用
• 不太安全，因为所有操作都在管理模式下运行

04 混合的内核

混合内核能够选择在用户模式下运行什么，以及在管理模式下运行什么。通常情况下，设备驱动程序和文件系统I/O将在用户模式下运行，而IPC和服务器调用将保持在管理器模式下。这是两全其美，但通常需要硬件制造商做更多的工作，因为所有驱动程序的责任都由他们来承担。它还可能存在一些与微内核固有的延迟问题。

4.1 Pros 

• 开发人员可以选择什么在用户模式下运行，什么在管理模式下运行
• 比单片内核更小的安装占用空间
• 比其他型号更灵活 

4.2 Cons

• 会遭受与微内核相同的进程延迟
• 设备驱动程序需要由用户管理(通常)

05 Linux内核文件在哪里

Ubuntu中的内核文件存储在/boot文件夹中，称为vmlinux -version。vmlinuz这个名字来自于unix世界，早在60年代，他们就把内核简单地称为“unix”，所以当内核在90年代首次开发时，Linux就开始把内核称为“Linux”。

 当开发虚拟内存以便更容易地进行多任务处理时，将“vm”放在文件的前面，以显示内核支持虚拟内存。有一段时间，Linux内核被称为vmlinux，但是内核变得太大，无法装入可用的引导内存，因此压缩了内核映像，并将末尾的x更改为z，以显示它是用zlib压缩的。并不总是使用相同的压缩，通常用LZMA或BZIP2替换，一些内核简单地称为zImage。
版本号将采用A.B.C.格式D在。B可能是2.6,C是您的版本，D表示您的补丁或补丁。

 在/boot文件夹中还有其他非常重要的文件，称为initrd.img-version、system.map-version,  config-version。initrd文件用作一个小RAM磁盘，用于提取和执行实际的内核文件。这个系统。map文件用于内核完全加载之前的内存管理，配置文件告诉内核在编译内核映像时要加载哪些选项和模块。

06 Linux内核体系结构

因为Linux内核是单片的，所以它比其他类型的内核占用空间最大，复杂度也最高。这是一个设计特性，在Linux早期引起了相当多的争论，并且仍然带有一些与单内核固有的相同的设计缺陷。

 为了解决这些缺陷，Linux内核开发人员所做的一件事就是使内核模块可以在运行时加载和卸载，这意味着您可以动态地添加或删除内核的特性。这不仅可以向内核添加硬件功能，还可以包括运行服务器进程的模块，比如低级别虚拟化，但也可以替换整个内核，而不需要在某些情况下重启计算机。

想象一下，如果您可以升级到Windows服务包，而不需要重新启动

07 内核模块

如果Windows已经安装了所有可用的驱动程序，而您只需要打开所需的驱动程序怎么办?这本质上就是内核模块为Linux所做的。内核模块，也称为可加载内核模块(LKM)，对于保持内核在不消耗所有可用内存的情况下与所有硬件一起工作是必不可少的。

 模块通常向基本内核添加设备、文件系统和系统调用等功能。lkm的文件扩展名是.ko，通常存储在/lib/modules目录中。由于模块的特性，您可以通过在启动时使用menuconfig命令将模块设置为load或not load，或者通过编辑/boot/config文件，或者使用modprobe命令动态地加载和卸载模块，轻松定制内核。
第三方和封闭源码模块在一些发行版中是可用的，比如Ubuntu，默认情况下可能无法安装，因为这些模块的源代码是不可用的。该软件的开发人员(即nVidia、ATI等)不提供源代码，而是构建自己的模块并编译所需的.ko文件以便分发。虽然这些模块像beer一样是免费的，但它们不像speech那样是免费的，因此不包括在一些发行版中，因为维护人员认为它通过提供非免费软件“污染”了内核。
内核并不神奇，但对于任何正常运行的计算机来说，它都是必不可少的。Linux内核不同于OS X和Windows，因为它包含内核级别的驱动程序，并使许多东西“开箱即用”。希望您能对软件和硬件如何协同工作以及启动计算机所需的文件有更多的了解。

学习文档：

Professional Linux Kernel Architecture：PLKA介于LKD3和ULK3之间。PLKA还是跟ULK有所不同，对函数的仔细讲解都做补充说明，去掉函数体中边边角角的情况，比如一些特殊情况的处理，有效性检查等，而不妨碍对整个函数体功能的理解，这些他都有所交代，做了声明；而且，就像LKD3一样，在某些点上也给出了指导性编程建议。

Linux.Kernel.Development.3rd.Edition：LKD3，这本书算是泛泛而谈，主要就是从概念，设计，大的实现方法上描述各个子系统，而对于具体的相关的函数实现的代码讲解很少涉及。

Understanding.the.Linux.Kernel.3rd.Edition：对比于ULK3，此书主要就是关于具体函数代码的具体实现的深入分析，当然，你也可以看，但是过早看这本书，会感觉很痛苦，很枯燥无味，基本上都是函数的实现。

Linux.Device.Drivers.3rd.Edition：LDD3中的以下所列章节：构造和运行模块，并发和竞态，时间、延迟及延缓操作,分配内存，中断处理等，都属于驱动开发的支撑性子系统，虽说本书对这些子系统都专门开辟一个章节进行讲解，但是详细程度怎么能比得上PLKA，ULK3，LKD3这三本书，看完这三本书，你会发现读LDD3这些章节的时候简直跟喝白开水一样，太随意了，因为LDD3的讲解比之LKD3更粗略。