linux内核详解

Posted 2020-08-27 answer_ma

一、linux的内核管理：对内核的基本认识

   我们所谈到的操作系统主要指内核

   以上功能据没有涉及实现文本编辑、实现字处理，也没有服务等等。

   故，操作系统是一种通用软件，是平台类软件，自己并不做任何工作，只是给其他程序提供了运行环境。除操作系统之外，还有应用程序，为实现某一目的，专门设计的程序。

 

   那么，既然内核有这么多功能，模块化设计？各功能独立成子系统？

   显然将功能整合在一起，内核将变得非常复杂。

 

二、内核的设计流派

   说说内核设计的两大流派：

 

   从根本上讲，将一个事情拆成各个小问题，然后每个小问题只复杂一个任务是linux的设计哲学之一。

   按道理，linux是微内核，但恰恰不是。

 

三、linux内核设计

   原因：早期设计的时没有使用微内核的思想，linux是一步步扩展而来后来，有呼声，要将linux改为微内核，但linus拒绝，能工作能稳定的工作，就OK，更重要的是，虽然微内核是一种优良的设计思想，但时下，他跑起来一点不比单内核高效更高级，但微内核有更优良的线程，linux则表现一般。

   但linux在一步步的发展中吸取了微内核的设计经验，虽然是单内核，但是兼具微内核的特性。

   linux通过使用模块化内核设计来兼具微内核特性，但这样的模块化设化设计并不是像微内核一样是各个子系统，而是由核心加外围的功能性模块组成内核。而微内核子系统都是各自独立运行的，不需要依赖其他部分就能工作。而linux各模块必许依赖核心，只是能在使用时进行装载，不用时被动态卸载。linux下的模块外在表现为类型程序的库文件，只是程序库文件为.so，而内核模块为.ko(kernel object),被内核调用。  

 

   假设，如果驱动是内核提供的，想象下，编译好一个内核，装在主机上，万一后来发现他无法驱动我们后来新添加的新硬件设备。各种硬件都是由内核驱动的，内核没有提供这个程序。假设我们有了驱动程序，怎样才能让他驱动起来，是不是从新编译内核，这是对用户和厂商的不幸。。。。

   模块化设计得以避免这种情况，故各赢家厂商的以模块化的形式开发自己的驱动，只需针对某一特定设备开发自己驱动程序的即可，而后我们编译这些模块即可。由于linux支持动态装卸载模块，因此当我需要和不需要某一功能时，可自行拆卸，并不影响核心的运行，这就是好处和优势表现之一。

 

四、内核的基本概念

   跟各种应用程序一样，内核也是一种应用程序，只不过，这种应用程序是直接操作硬件的。

   内核直接面对的是硬件，调用的是硬件接口，是通过个硬件厂商和CPU厂商提供的指令集进行开发。

   开发应用程序面对的是内核，系统调用，或库调用进行的，故简单得多。

   为编写内核级的应用程序，又为了避免过于底层，固有很多库文件，可以让内核编译时使用。

   内核是直接面向硬件的，故可用资源权限很大，但内核是工作在有限地址空间内的，在linux而言，32位系统上，线性地址空间中，内核只认为自己有1G的，虽然可以掌握4G，但是自己的运行只能使用1G，剩下的3G给其他应用程序。win是各2G。故我们开发内核时可用的内存空间很有限，尤其是开发驱动，要明白自己的可用空间很有限，故需高效。

 

五、从动态的角度看linux主机的运行状况

   应用程序运行在内核上，只是逻辑上的情况。但实际是直接工作在硬件上的，任意应用程序数据都在内存中，数据处理都是CPU，只是他们不能随意使用而已，要接受内核的管理。

   但CPU只有一颗，应用程序工作的时候，内核就暂停了，应用程序也在内存空间中，一旦应用程序想要访问其他硬件资源时，即要执行I/O指令时，不能执行。

   因为应用程序看不见硬件，应用程序是基于系统调用的程序，当应用程序需要访问硬件资源时时，就向CPU发起特权请求，一旦CPU收到特权请求，CPU就会唤醒内核，从而执行内核中的某段代码（非完整的内核程序），然后将结果返回给应用程序，而后内核代码退出，内核程序暂停。在这期间CPU就从用户模式转换成了内核模式，内核模式 就好似能够执行特权的模式。

   所有的应用程序时在硬件上直接执行的，只是在必要时接受内核的管理和监控。

   故内核也是监控器，监控程序，是资源和进程的监控程序。

 

六、CPU的时间与内核的空间

   因为内存中每一个进程都以为直接是独占CPU的，故内核即是将CPU虚拟化，提供给进程，CPU在内核级别就已经虚拟化了，通过将CPU切成时间片，随着时间流逝而完成在个进程之间分派计算能力的，CPU是以时间提供其计算能力的。

   而内存是站在空间角度进行数据容纳的。

   这就是所谓的时空转换。

   在单位时间内要能够提供的计算能力越大，必须速度越快，否则只能延长时间。这也就是我们需要更快的CPU，以节约时间。

   对于内存而言考虑的是空间问题。

 

六、CPU的运算特性

   I/O是最慢的设备，我们CPU有大量时间都拿来等待I/O完成，为避免空余的没有任何意义的等待，需要等待时，就让CPU运行别的进程或线程。

   我们应该最大能力榨取CPU的计算能力，因为CPU的计算能力是随着时间时钟频率的振荡器在震荡，你用或者不用他都在跑。

   如果你让CPU空闲着，他依然耗电，而且随时间流逝，计算能力白白消逝了，因此能够让CPU工作在80-90%的利用率下，这就意味着他的生产能力得到了充分的发挥。CPU是用不坏的，没有什么磨损很消耗，是电器设备，除了功率大是发热量大，散热足够就好了，对于电器设备而言不用反而会坏。

 

七、从硬件看系统启动  

   内核没有生产力，生产力是由个被调用的应用程序产生，故我们应该尽量让系统运行在应用程序模式中，故内核占据的时间越少越好。而内核主要在进程切换、中断处理等相关功能上，占据时间，模式切换到目的也是为了生产完成，但进程切换与生产就没有任何意义了，中断处理可以认为与生产本身相关，因为应用要执行I/O

   内核的主要目的是完成硬件管理，而linux中有一个思想，各进程都是由其父进程衍生的，由父进程fork()而来的，那么由谁来fork()以及管理这些进程，于是有了大管家程序init，统筹管理用户空间的所有进程。用户空间的管理工作都不会由内核执行，故我们启动完内核之后，要想启动用户空间首先需要启动init，故init的PID号永远为1。 init也是由其父进程fork()而来，是内核空间中的用来专门引导用户空间进程的机制。init是一个应用程序，在/sbin/init下，是一个可执行文件。