理解Linux操作系统之母-Linux内核

Posted 2022-10-27 踩点

        Linux操作系统在我们的信息化生产环境中，起着举足轻重的作用，在使用的过程中，我们发现，要在发行版Linux操作系统上安装某个软件，在下载rpm安装包前要查查内核版本是多少以便于找到对应内核版本的rpm包；遇到一些硬件与使用的发行版Linux操作系统不兼容时，也查查内核版本是多少，看看是不是因为内核版本太低了不兼容；遇到了某个特定问题时也查查内核版本是多少，看看是不是已知的内核版本BUG等。甚至有时候为了解决某些问题，还要将Linux内核进行升级，但有时也不是所有问题都是能够通过内核升级就能解决的，还需要发生版操作系统具备相应的功能能力。从其中不难发现，我们使用的各类Linux操作系统，如CentOS、SuSE、redhat linux等等，它们都是用的同一套内核程序，只是各发行版上使用的Linux内核版本不同而已，Linux内核是名符其实的Linux操作系统之母了。

        那到底什么是Linux内核(kernel)？Linux内核是怎么来的？Linux内核能做什么，有哪些主要功能？又有哪些人或组织在参与Linux内核开发维护？使用Linux内核代码有哪些要求等。带着这一系列问题，开展下面分析学习。

一、什么是Linux内核

        Linux内核是运行于Linux 操作系统 (OS)中最基础却又最重要的组件，是计算机硬件与其进程之间的核心接口。它在两者之间进行通信，实现对资源管理的核心程序。

        内核就像硬壳中的种子一样，存在于操作系统中并控制硬件的所有主要功能，包括手机、电脑、服务器等任何类型的智能计算设备。

二、Linux内核由来

        Linux可以视为一个站在巨人肩膀上创建出来的产品，在它被发布以前，操作系统已经经过了长期的发展。

        1979年，Ken Thompson（C语言之父）利用汇编语言开发了FIle Server System（Unics，即Unix的原型）；

        1973年，Dennis Ritchie和Ken Thompson发明了C语言，而后写出了Unix的内核；

        1979年，Unix发布System V，用于个人计算机；

        1984年，因为Unix规定：“不能对学生提供源码”，Tanenbaum老师自己编写兼容于Unix的Minix，用于教学；

        1991年，芬兰赫尔辛基大学计算机系研究生LinusTorvalds（林纳斯·托瓦兹）负债DIY了一台性能彪悍的计算机，他准备用这台计算机运行在操作系统课上学会的Minix操作系统并黑进学校性能更加强大的计算机系统来上网或者看新闻。然而，Minix系统的价格让Linus望而却步，且当时Minix系统的协议只支持教学用途，于是决定开发一套自己的操作系统，1991年2月4日，Linux内核系统0.00版延生，只有两个进程，分别显示AAABBB；

        1991年9月17日，Linux内核系统（当时叫Freax）的0.01版被上传至FTP服务器，作为第一个正式向外公布的Linux内核版本，从此拉开了一个传奇的序幕……

        Linux它最初是构思试图创建一个用来替代 MINIX ，并且免费和开源共享的操作系统，借鉴 Unix的原理和设计，被看作是Unix的克隆。

        Linux®已由LinusTorvalds在美国、德国、欧盟和日本注册商标。

三、内核主要功能

        Linux内核虽然非常复杂，但它不是一个可供用户直接使用的完整操作系统，要提供给一般用户使用，仅靠内核是远远不够的，缺乏应用功能，还需基于内核之上，根据外围硬件设备开发驱动、用户灵活操作的图形化界面、应用程序软件等，才能构成一个可供用户使用的功能性操作系统。

 

        Linux内核在操作系统中主要有以下四大功能：

1. 内存管理：跟踪用于存储内容的内存量以及存储位置
2. 进程管理：确定哪些进程可以使用中央处理单元 (CPU)、何时以及使用多长时间
3. 文件系统管理：在非结构化的硬件之上建立了一个结构化的文件系统
4. 硬件设备管理：充当硬件和进程之间的接口程序

        内核对用户来说是不可见的，它在自己的称为内核空间的小世界中工作，在那里它分配内存并跟踪所有内容的存储位置。用户所看到的比如浏览器和文件等，被称为用户空间。这些应用程序通过系统调用接口 (SCI) 与内核交互。

        如果将运行Linux操作系统的机器视为具有 3 层，内核的位置应该属于中间层：

1.硬件：物理机器，在系统的底部或基础，由内存 (RAM) 和处理器或中央处理单元 (CPU) 以及存储、网络等输入/输出 (I/O) 设备组成,，CPU 执行计算并从内存读取和写入内存。

2.Linux 内核：操作系统的核心。处于硬件之上，用户进程之下的中间层，它是驻留在内存中的软件，它告诉 CPU 要做什么。

3.用户进程：这些是内核管理的运行程序。用户进程是共同构成用户空间的东西。用户进程也称为进程。内核还允许这些进程和服务器相互通信。

        系统执行的代码以两种模式之一在 CPU 上运行：内核模式或用户模式。在内核模式下运行的代码可以不受限制地访问硬件，而用户模式则限制对 SCI 的 CPU 和内存的访问。内存（内核空间和用户空间）也存在类似的分离。这两个小细节构成了一些复杂操作的基础，例如安全权限分离、构建容器和虚拟机。

        这也意味着，如果一个进程在用户模式下失败，损害是有限的，可以由内核恢复。但是，由于它对内存和处理器的访问，内核进程崩溃可能会使整个系统崩溃。由于有适当的保护措施和跨越边界所需的权限，用户进程崩溃通常不会导致太多问题。此外，由于 Linux 内核可以在线升级修补。

四、内核维护组织

        Linux内核由Linux Kernel Organization（是一家加州公益组织）进行维护，这个组织成立于 2002 年，成立的目的为免费向公众分发 Linux 内核和其他开源软件。Linux Kernel Organization由Linux基金会负责管理，为运行和维护 kernel.org 基础设施提供全面的技术、资金和人员支持。

        Linux基金会，共有白金、金牌、银牌三个级别的会员（成员）1298个，这些成员都是数字技术的先驱，是推动Linux项目进步的力量。

1、白金会员（14个）

2、金牌会员（19个）

 

3、银牌会员（1258个）

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        要声明一点的是，Linux基金会维护了有很多的项目，这些会员并不代表都是参与内核项目的成员单位，而“Linux内核项目成员”在官网上无公布，但在每一个版本发布时，都会公布代码贡献量的雇主与个人排名。

五、Linux内核代码贡献

        只有Linux内核项目成员，才能提交内核代码提交合并请求，下面以Linux内核5.10版为例，列举代码贡献者排名信息。

1、个人开发者代码贡献排名

        共有 1,971 名个人开发者为Linux内核 5.10 做出了贡献，期中有有 252 名个人开发在首次在 5.10版本中做出代码贡献。

• 5.10版本合并代码个人开发者贡献占比排名

2、雇主（公司组织）代码贡献排名

        总共有 228 家公司（所知道的）在5.10 内核版本中有做出代码贡献。

• 5.10版本合并代码雇主（公司组织）贡献占比排名
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  有一件值得骄傲的事情是，在5.10版内核程序新合并代码的贡献排名中，按照代码集为单位，我国的华为技术公司贡献量排第一名，占比8.9%；按照代码行为单位，我国的华为技术公司贡献量排第二名，占比5.3%。

六、Linux内核协议

        Linux内核发展到2022年10月2日已经发布的6.0版，合并了很多贡献者的代码，形成了很多个功能模块，Linux内核已经积累成为一个很庞大的系统了，各个模块使用的开源协议也不尽相同，形成了一个Linux内核使用了多种开源协议，当前在使用的协议主要有如下：

BSD-2-Clause

BSD-3-Clause

BSD-3-Clause-Clear

GPL-2.0

LGPL-2.0

LGPL-2.1

MIT

        Linux为一个全开源的内核，意味着任何人都可以运行、学习、共享和修改软件，修改后的代码也可以重新发布，甚至发行成自己的产品与出售，但是必须在相同协议下进行，也就是说，修改后的代码以及发行的产品，是需要继续开源，还是可以闭源，需要根据基于内核程序中的各个模块的开源协议而定。

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