Linux内核的启动流程之基础概念

Posted 2020-11-14

Linux系统的组成部分

从运行状态角度来看 分为 内核+根文件系统

从静态角度来看 分为 磁盘分区+相关文件

内核调用

第一个方式：调用内核过于复杂，所以有些内核开发人员创建了库文件，通过调用库文件来调用内核程序。那么shell就是通过调用库的用户接口(用户程序)

第二个方式：程序开发人员很牛B，他为了追求效率，他自己编写程序直接调用内核程序。

内核设计流派

1、单内核设计

把所有功能集成与同一程序。方便使用，但是一个功能出了问题就影响整个程序。linux就是例子

2、微内核设计

每种功能使用一个单独的子系统实现。管理较为复杂，但是各功能之间相互影响较小。但是各种内核之间的兼容性就麻烦了。Windows Solaris就是例子

Linux内核特点

1、支持模块化，.ko(kernel object)

2、支持模块化运行时动态状态或卸载

Linux内核组成

核心文件

vmlinuz-3.10.0-693xxxx 就是内核文件。

模块文件

这个就是对应内核的模块文件，如果管理员安装了多个内核版本，那么在这个目录下就会有多个模块文件

这个就是模块文件中的内容。

在kernel目录中又有一些系统必须的文件，比如说一些驱动文件

ramdisk文件(可选)

       现在假设内核程序已经在内存当中了(如何载入的先不讨论)，那么内核的第一件事情就是装载根文件系统(加载init文件，开启各种进程)，装载根文件系统需要挂在分区，挂载分区就需要硬盘驱动，硬盘的驱动在根文件系统内。这样就矛盾了，简单的来说挂载根文件系统需要驱动，而驱动又在根文件系统中。

       怎么办？将内存的一部分当做磁盘来用，这个过程中有个伪根文件系统，用于将实际的根分区挂载，并读取init文件。真正的根文件系统上线后，伪根文件系统就失效了。这个伪根文件系统是在第一次安装操作系统的时候，系统根据实际磁盘生成的。

       伪文件系统在一定条件下是不需要的，如果在编译内核的时候就知道实际磁盘的驱动，那么就可以将磁盘的驱动直接编译到内核中。

这个就是ramdisk文件，在CentOS6之前该文件为initrd文件，到了CentOS6就转换成ramdisk文件了，因为磁盘到内存必须有缓存，但是实际的数据就在内存中，不需要缓冲区。

内核实现的功能

1、进程管理

            进程调度

            进程的创建

            进程销毁

2、内存管理

            进程间通信简称IPC、通信机制有1、消息队列 2、semerphor 3、shm(共享内存)

           socket是两个主机进程间通信的机制

3、网络协议栈

            各种主机间进程的通信都需要通过网络协议，这种公共的服务需要在内核中实现。

4、文件系统

            运行中的系统环境分为两层：1、内核空间 2、用户空间

            用户空间中运行了各种应用程序

           内核空间中运行了内核代码，这个代码一般都需要特权级操作。

           那么如果用户的应用程序需要使用硬件资源时，用户空间的代码会调用内核空间 的代码，由内核代为完成硬件资源操作。

5、驱动程序

6、安全功能

启动分区(/boot)

用于存放内核代码的存储空间。在内核程序启动之前是没有根文件系统的，只有内核启动之后才去识别根文件系统。推荐boot分区使用普通分区

根文件系统(rootfs)

必须符合FHS结构(特定目录结构，比如包含/bin /sbin /proc)等目录。其中init文件是最重要的文件，因为init是启动其他进程的父进程，一切进程都来源于init

所以根文件系统只是一个叫法，根文件系统本身不存在，如果一个文件系统结构符合FHS结构，并包含了特定的目录，那么这个文件系统就叫做根文件系统。(在本机第二块硬盘上安装grub，并做简要执行命令的实验中，这个现象非常明显，在根文件系统中，只有相应的目录，每个目录都没有对应的文件，但是还是可以运行系统的。)

现在就有了一个比较烧脑的问题，内核代码存放在/boot目录中，只有内核启动了才能识别根(简单来讲，使用内核需要根文件系统，但是挂在根文件系统需要内核)，那么在启动系统的时候如何去找/boot目录呢？所以在内核程序启动之前需要一个程序将内核代码放入内存运行。