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目錄

什么是操作系統(tǒng)OS

操作系統(tǒng)的的組成

什么是內(nèi)核kernel

內(nèi)核的操作

內(nèi)核的分類

Linux操作系統(tǒng)

Linux內(nèi)核

內(nèi)核源碼結(jié)構(gòu)

?Linux內(nèi)核與硬件的關(guān)系

是什么使Linux內(nèi)核與其他經(jīng)典Unix內(nèi)核不同？

Linux內(nèi)核架構(gòu)

Linux內(nèi)核接口

?Linux可加載內(nèi)核模塊 (The Linux Loadable Kernel Module (LKM) )

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什么是操作系統(tǒng)OS

操作系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱為OS）是一種軟件平臺(tái)，可創(chuàng)建一個(gè)環(huán)境，用戶可以在該環(huán)境中在計(jì)算設(shè)備上運(yùn)行不同的應(yīng)用程序。 操作系統(tǒng)充當(dāng)軟件程序和系統(tǒng)硬件組件之間的橋梁。 它被移動(dòng)設(shè)備，標(biāo)簽，臺(tái)式機(jī)，Web服務(wù)器，視頻游戲機(jī)等不同的設(shè)備所利用。市場(chǎng)上有各種操作系統(tǒng)可用，例如Windows，Linux，Unix和Mac OSX。

操作系統(tǒng)的的組成

Bootloader：它負(fù)責(zé)設(shè)備的啟動(dòng)過程。
Shell：Shell是一種編程語言，它可以控制其他文件，進(jìn)程以及所有其他程序。
Kernel：它是操作系統(tǒng)的主要組件，管理內(nèi)存，CPU和其他相關(guān)組件。
Desktop Environment：這是用戶通常與之交互的環(huán)境。
Graphical server(圖形服務(wù)器)：它是操作系統(tǒng)的子系統(tǒng)，用于在屏幕上顯示圖形
Applications: 這些是執(zhí)行不同用戶任務(wù)（例如word，excel等）的程序集。
Daemons : 后臺(tái)服務(wù)提供商。

什么是內(nèi)核kernel

內(nèi)核是操作系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。 它借助進(jìn)程間通信和系統(tǒng)調(diào)用，在硬件級(jí)別上充當(dāng)應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)處理之間的橋梁。

每當(dāng)將操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存中時(shí)，首先，將加載內(nèi)核并將其保留在那里，直到操作系統(tǒng)關(guān)閉。 內(nèi)核負(fù)責(zé)處理低級(jí)任務(wù)，例如任務(wù)管理，內(nèi)存管理，風(fēng)險(xiǎn)管理等。

內(nèi)核的任務(wù)

• 用于應(yīng)用程序執(zhí)行的流程管理
• 內(nèi)存和I / O（輸入/輸出）管理
• 系統(tǒng)調(diào)用控制（內(nèi)核的核心行為）
• 借助設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行設(shè)備管理

內(nèi)核空間，用戶空間是什么？

內(nèi)核空間
內(nèi)核處于提升的系統(tǒng)狀態(tài)，其中包括受保護(hù)的內(nèi)存空間以及對(duì)設(shè)備硬件的完全訪問權(quán)限。 此系統(tǒng)狀態(tài)和內(nèi)存空間統(tǒng)稱為內(nèi)核空間。 在內(nèi)核空間內(nèi)，對(duì)硬件和系統(tǒng)服務(wù)的核心訪問進(jìn)行管理，并作為服務(wù)提供給系統(tǒng)的其余部分。

用戶空間
用戶空間或用戶域是在操作系統(tǒng)內(nèi)核環(huán)境之外運(yùn)行的代碼，用戶空間定義為操作系統(tǒng)用來與內(nèi)核連接的各種應(yīng)用程序或程序或庫(kù)。

用戶的應(yīng)用程序是在用戶空間中執(zhí)行的，它們可以通過內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用訪問計(jì)算機(jī)可用資源的一部分。 通過使用內(nèi)核提供的核心服務(wù)，可以創(chuàng)建用戶級(jí)別的應(yīng)用程序，例如游戲或辦公軟件。

內(nèi)核的操作

內(nèi)核是任何操作系統(tǒng)的心臟，因?yàn)樗刂葡到y(tǒng)中的所有其他程序。 當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)核會(huì)經(jīng)歷一個(gè)初始化的過程，例如檢查內(nèi)存。 它負(fù)責(zé)內(nèi)存分配部分，并創(chuàng)建了一個(gè)運(yùn)行應(yīng)用程序的環(huán)境，而沒有任何干擾。

內(nèi)核充當(dāng)服務(wù)提供者，因此程序可以請(qǐng)求內(nèi)核完成多項(xiàng)任務(wù)，例如請(qǐng)求使用磁盤，網(wǎng)卡或其他硬件，并且內(nèi)核為CPU設(shè)置中斷以啟用多任務(wù)處理。 它不讓錯(cuò)誤的程序進(jìn)入其他程序的操作功能，從而保護(hù)了計(jì)算環(huán)境。 它通過不允許存儲(chǔ)空間來阻止未經(jīng)授權(quán)的程序進(jìn)入入口，并限制它們消耗的CPU時(shí)間。

內(nèi)核的分類

通常有三類內(nèi)核：

Monolithic kernel: 它包含許多設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可在設(shè)備的硬件和軟件之間創(chuàng)建通信接口。

它是操作系統(tǒng)廣泛使用的內(nèi)核。 在單片架構(gòu)中，內(nèi)核由可以動(dòng)態(tài)加載和卸載的各種模塊組成。 這種體系結(jié)構(gòu)將擴(kuò)展OS的功能，并允許輕松擴(kuò)展內(nèi)核。

使用單片式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)核的維護(hù)變得容易，因?yàn)楫?dāng)需要修復(fù)特定模塊中的錯(cuò)誤時(shí)，它允許相關(guān)模塊進(jìn)行加載和卸載。 因此，它消除了繁瑣的工作，即降低并重新編譯整個(gè)內(nèi)核以進(jìn)行很小的更改。 在單片內(nèi)核中，卸載不再使用的模塊更加容易。

Micro kernel: 它只能執(zhí)行基本功能。

微內(nèi)核已經(jīng)發(fā)展成為單片內(nèi)核的替代產(chǎn)品，以解決單片內(nèi)核無法做到的內(nèi)核代碼不斷增長(zhǎng)的問題。 這種體系結(jié)構(gòu)允許某些基本服務(wù)（例如協(xié)議棧，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序管理，文件系統(tǒng)等）在用戶空間中運(yùn)行。 這樣可以以最少的代碼增強(qiáng)OS的功能，提高安全性并確保穩(wěn)定性。

它通過使系統(tǒng)的其余部分正常運(yùn)行而不會(huì)造成任何中斷，從而限制了對(duì)受影響區(qū)域的損壞。 在微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)中，所有基本OS服務(wù)都可以通過進(jìn)程間通信（IPC）提供給程序。 微內(nèi)核允許設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和硬件之間的直接交互。

Hybrid kernel: 它結(jié)合了單片內(nèi)核和微內(nèi)核的各個(gè)方面。

混合內(nèi)核可以決定要在用戶模式和主管模式下運(yùn)行什么。 通常，在混合內(nèi)核環(huán)境中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，文件系統(tǒng)I / O之類的內(nèi)容將在用戶模式下運(yùn)行，而服務(wù)器調(diào)用和IPC則保持在管理者模式下。 它提供了兩個(gè)世界的最佳體驗(yàn)。

Linux操作系統(tǒng)

Linux是Linus Torvalds在1991年開發(fā)的開源平臺(tái)。 它在各種設(shè)備中用作操作系統(tǒng)，例如在計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，移動(dòng)設(shè)備，大型機(jī)和其他嵌入式設(shè)備中。 由于它是開源軟件，因此用戶可以根據(jù)需要自定義此操作系統(tǒng)。 它支持幾乎所有主要的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，例如ARM，x86，SPARK等。Linux的最常見用法是用于Server，但也用于臺(tái)式機(jī)，電子書閱讀器，智能手機(jī)等。

Linux內(nèi)核

內(nèi)核是任何基于Linux的操作系統(tǒng)的核心組件。 它代表了臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器的Linux發(fā)行版的核心方面。 它具有整體架構(gòu)，并且操作系統(tǒng)完全在內(nèi)核空間中運(yùn)行。 整體內(nèi)核不僅包圍中央處理器，IPC和內(nèi)存，而且具有系統(tǒng)服務(wù)器調(diào)用，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)管理。 Linux內(nèi)核充當(dāng)設(shè)備軟件和硬件之間的一層。

內(nèi)核可以是單片，微內(nèi)核或混合內(nèi)核（例如OS X和Windows 7）。 Linux內(nèi)核是類似于UNIX系統(tǒng)的單片計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核。 Linux操作系統(tǒng)系列（通常稱為L(zhǎng)inux發(fā)行版）基于此內(nèi)核。與微內(nèi)核不同，單塊內(nèi)核不僅包含中央處理單元，內(nèi)存和IPC，還具有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，系統(tǒng)服務(wù)器調(diào)用和文件系統(tǒng)管理。他們最擅長(zhǎng)與硬件通信并同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)。由于這個(gè)原因，此處的過程反應(yīng)速度很快。

但是，很少的挫折是所需的巨大安裝和內(nèi)存占用空間以及安全性不足，因?yàn)橐磺卸家怨芾韱T模式運(yùn)行。相反，隨著用戶服務(wù)和內(nèi)核的分離，微內(nèi)核對(duì)應(yīng)用程序調(diào)用的反應(yīng)可能會(huì)很慢。因此，與整體內(nèi)核相比，它們的尺寸更小。微內(nèi)核很容易擴(kuò)展，但是編寫微內(nèi)核需要更多代碼。 Linux內(nèi)核是用C和Assembly編程語言編寫的。

內(nèi)核源碼結(jié)構(gòu)

在Linux系統(tǒng)中查看內(nèi)核源碼，如圖所示

• arch 特定體系結(jié)構(gòu)的代碼
• block 塊設(shè)備I/O層
• crypo 加密API
• Documentation 內(nèi)核源碼文檔
• drivers 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
• firmware 使用某些驅(qū)動(dòng)程序而需要的設(shè)備固件
• fs VFS和各種文件系統(tǒng)
• include 內(nèi)核頭文件
• init 內(nèi)核引導(dǎo)和初始化
• ipc 進(jìn)程間通信代碼
• kernel 像調(diào)度程序這樣的核心子系統(tǒng)
• lib 同樣內(nèi)核函數(shù)
• mm 內(nèi)存管理子系統(tǒng)和VM
• net 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)
• samples 示例，示范代碼
• scripts 編譯內(nèi)核所用的腳本
• security Linux 安全模塊
• sound 語音子系統(tǒng)
• usr 早期用戶空間代碼（所謂的initramfs）
• tools 在Linux開發(fā)中有用的工具
• virt 虛擬化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

?Linux內(nèi)核與硬件的關(guān)系

內(nèi)核可以通過所謂的中斷來管理系統(tǒng)的硬件。 當(dāng)硬件要與系統(tǒng)接口時(shí)，會(huì)發(fā)出一個(gè)中斷，中斷處理器，從而對(duì)內(nèi)核執(zhí)行相同的操作。 為了提供同步，內(nèi)核可以禁用中斷，無論是單個(gè)中斷還是全部中斷。 但是，在Linux中，中斷處理程序不是在進(jìn)程上下文中運(yùn)行，而是在不與任何進(jìn)程相關(guān)聯(lián)的中斷上下文中運(yùn)行，這種特殊的中斷上下文僅是為了讓中斷處理程序快速響應(yīng)單個(gè)中斷然后最終退出而存在 。

是什么使Linux內(nèi)核與其他經(jīng)典Unix內(nèi)核不同？

Linux內(nèi)核和經(jīng)典 Unix內(nèi)核之間存在顯著差異，如下所示：

• Linux支持內(nèi)核模塊的動(dòng)態(tài)加載
• Linux內(nèi)核是搶占式的
• Linux具有對(duì)稱的多處理器支持
• Linux具有開放軟件特性，因此是免費(fèi)的
• Linux忽略了內(nèi)核開發(fā)人員稱為“設(shè)計(jì)不良”的某些標(biāo)準(zhǔn)Unix功能
• Linux提供了帶有設(shè)備類，可熱插拔事件和用戶空間設(shè)備文件系統(tǒng)的面向?qū)ο蟮脑O(shè)備模型
• Linux內(nèi)核無法區(qū)分線程和正常進(jìn)程

Linux內(nèi)核架構(gòu)

內(nèi)核僅僅是資源管理器。 被管理的資源可以是進(jìn)程，內(nèi)存或硬件設(shè)備。 它管理和仲裁多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)用戶之間對(duì)資源的訪問。 Linux內(nèi)核存在于用戶空間下方的內(nèi)核空間中，該空間是執(zhí)行用戶應(yīng)用程序的位置。 為了使用戶空間與內(nèi)核空間進(jìn)行通信，已合并了一個(gè)GNU C庫(kù)，該庫(kù)為系統(tǒng)調(diào)用接口提供了一個(gè)論壇，以連接到內(nèi)核空間并允許轉(zhuǎn)換回用戶空間。

Linux內(nèi)核可以分為三個(gè)主要級(jí)別：

系統(tǒng)調(diào)用界面：這是最高層，并承擔(dān)諸如讀取和寫入之類的基本操作。

內(nèi)核代碼：它位于系統(tǒng)調(diào)用接口下方，這是Linux支持的所有處理器體系結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)，有時(shí)也定義為與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的內(nèi)核代碼。

依賴于體系結(jié)構(gòu)的代碼：它在獨(dú)立于體系結(jié)構(gòu)的代碼下，形成通常稱為板級(jí)支持程序包（BSP）的程序-該程序包包含一個(gè)稱為引導(dǎo)加載程序的小程序，它將操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序放入內(nèi)存。

Linux內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)主要包括：系統(tǒng)調(diào)用接口，進(jìn)程管理，虛擬文件系統(tǒng)，內(nèi)存管理，體系結(jié)構(gòu)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，這些稱為L(zhǎng)inux內(nèi)核的主要子系統(tǒng)。

系統(tǒng)調(diào)用界面（System call interface）

簡(jiǎn)單來說，系統(tǒng)調(diào)用就是用戶程序和硬件設(shè)備之間的橋梁。用戶程序在需要的時(shí)候，通過系統(tǒng)調(diào)用來使用硬件設(shè)備。系統(tǒng)調(diào)用是一種編程過程，用于承擔(dān)從用戶空間到內(nèi)核的函數(shù)調(diào)用，其中程序從操作系統(tǒng)內(nèi)核請(qǐng)求服務(wù)。 該接口可能取決于體系結(jié)構(gòu)。它包括各種硬件服務(wù)，例如與硬件設(shè)備連接以及在內(nèi)核的各個(gè)組成部分之間創(chuàng)建通信接口。 系統(tǒng)調(diào)用在操作系統(tǒng)和進(jìn)程之間創(chuàng)建有效的接口。

進(jìn)程管理 （Process management）

執(zhí)行進(jìn)程，內(nèi)核負(fù)責(zé)創(chuàng)建和刪除不同的進(jìn)程，并監(jiān)視它們與外部世界的連接。例如輸入和輸出。 它通過信號(hào)，進(jìn)程間通信原語或管道來處理不同方法之間的通信。 除了所有這些之外，它還有一個(gè)調(diào)度程序，用于控制共享CPU的進(jìn)程。

內(nèi)存管理（Memory management）

內(nèi)存是操作系統(tǒng)的重要組成部分，內(nèi)存在所謂的頁(yè)面中進(jìn)行管理以提高效率。 Linux包括管理可用內(nèi)存的方法以及用于物理和虛擬映射的硬件機(jī)制,還提供交換空間。內(nèi)存管理不僅僅管理4KB緩沖區(qū)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。 Linux還提供了4kb緩沖區(qū)以外的抽象（稱為slab分配器）。 Slab分配器使用4kb緩沖區(qū)作為基礎(chǔ)，然后通過監(jiān)視諸如頁(yè)面已滿，為空和部分使用之類的內(nèi)容從內(nèi)部分配結(jié)構(gòu)。 這使方案可以動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)，并可以支持系統(tǒng)的更重要需求。

虛擬文件系統(tǒng)（Virtual file system）

虛擬文件系統(tǒng)（VFS）是內(nèi)核的重要組成部分，它為文件系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口抽象。 它提供了系統(tǒng)調(diào)用接口和內(nèi)核支持的文件系統(tǒng)之間的切換層。 VFS在內(nèi)核支持的文件系統(tǒng)和SCI（系統(tǒng)調(diào)用接口）之間創(chuàng)建一個(gè)交換層。除了上述內(nèi)容之外，Linux還支持各種類型的文件系統(tǒng)，這些文件系統(tǒng)需要以不同的方式組織數(shù)據(jù)以物理格式存儲(chǔ)。 例如，可以使用常用的FAT文件系統(tǒng)，Linux標(biāo)準(zhǔn)ext3文件系統(tǒng)或其他幾種格式來格式化磁盤。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)（Device drivers）

內(nèi)核的大部分源代碼存儲(chǔ)在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，這使特定的硬件設(shè)備可用。 Linux提供了一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序子目錄，該子目錄又分為支持的各種設(shè)備，例如I2藍(lán)牙，串行等。

體系結(jié)構(gòu)（Architecture-dependent code）

即使大多數(shù)Linux在其獨(dú)立體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行，也應(yīng)考慮某些因素以提高體系結(jié)構(gòu)效率和正常運(yùn)行。 Linux有許多子目錄，每個(gè)體系結(jié)構(gòu)子目錄有許多其他子目錄。 而且，這些子目錄專注于內(nèi)核的特定任務(wù)，例如內(nèi)存管理，引導(dǎo)，內(nèi)核等。

接口

系統(tǒng)調(diào)用和中斷（System calls and Interrupts）

應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用將信息傳遞給內(nèi)核。 庫(kù)包含應(yīng)用程序可以使用的功能。 然后，這些庫(kù)通過系統(tǒng)調(diào)用界面指示內(nèi)核執(zhí)行應(yīng)用程序所需的任務(wù)。

中斷提供了一種通過Linux內(nèi)核管理系統(tǒng)硬件的方法。 如果硬件必須與系統(tǒng)通信，則可以通過處理器上的中斷來解決問題，并將其傳遞給Linux內(nèi)核。

Linux內(nèi)核接口

Linux內(nèi)核為執(zhí)行不同任務(wù)和具有不同屬性的用戶空間應(yīng)用程序提供了不同的接口。

它由兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序編程接口（API）組成：一個(gè)是內(nèi)核用戶空間，另一個(gè)是內(nèi)核內(nèi)部。

Linux API是內(nèi)核用戶空間API， 它使用戶空間中的程序可以訪問內(nèi)核的系統(tǒng)資源和服務(wù)， 它由系統(tǒng)調(diào)用接口和GNU C庫(kù)中的子例程組成。

Linux ABI

指的是內(nèi)核用戶空間ABI（Application Binary Interface）, 它存在于程序模塊之間,是兩個(gè)二進(jìn)制程序模塊之間的接口：模塊之一是操作系統(tǒng)工具或庫(kù)，第二個(gè)模塊是用戶運(yùn)行的程序。

比較API和ABI時(shí)，不同之處在于ABI用于訪問已編譯的外部代碼，而API是用于管理軟件的結(jié)構(gòu)。 定義重要的ABI主要是Linux發(fā)行版的工作，而不是Linux內(nèi)核。 應(yīng)該為每個(gè)指令集定義一個(gè)特定的ABI，例如x86-64。 Linux產(chǎn)品的最終用戶對(duì)ABI而不是API感興趣。

它不過是內(nèi)核用戶空間ABI（應(yīng)用程序二進(jìn)制用戶界面）。 它存在于程序模塊之間。 ABI用于訪問已編譯并準(zhǔn)備使用的代碼。 ABI是兩個(gè)二進(jìn)制程序模塊之間的接口：這些模塊之一是操作系統(tǒng)工具或庫(kù)，第二個(gè)模塊是用戶運(yùn)行的程序。

模塊化內(nèi)核

以前版本的Linux內(nèi)核的方式是將其所有部分靜態(tài)固定為一個(gè)整體。 但是，現(xiàn)代Linux內(nèi)核的大部分功能包含在動(dòng)態(tài)放入內(nèi)核的模塊中。 與單片類型相反，這稱為模塊化內(nèi)核。 這樣的設(shè)置允許用戶加載或替換正在運(yùn)行的內(nèi)核中的模塊，而無需重新啟動(dòng)。

?Linux可加載內(nèi)核模塊 (The Linux Loadable Kernel Module (LKM) )

如果要向Linux內(nèi)核添加代碼，則要做的第一件事就是向內(nèi)核源代碼樹中添加一些源文件。 在某些情況下，您可能需要在運(yùn)行時(shí)向內(nèi)核添加代碼，此過程稱為可加載內(nèi)核模塊。

LKM的好處

• LKM節(jié)省時(shí)間并避免錯(cuò)誤
• 它有助于快速發(fā)現(xiàn)bugs
• LKM可以節(jié)省內(nèi)存，因?yàn)樗鼈儍H在需要時(shí)才加載到內(nèi)存中
• 它提供了更快的維護(hù)和調(diào)試時(shí)間

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的一文了解Linux内核的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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