linux内核包括哪些（Linux内核简介你能看懂么）

大纲：

理解Linux内核最好预备的知识点

Linux内核的特点

Linux内核的任务

内核的组成部分

哪些地方用到了内核机制？

Linux进程

Linux创建新进程的机制

Linux线程

内核线程

地址空间与特权级别

虚拟地址与物理地址

特权级别（Linux的两种状态）

系统调用

设备驱动程序、块设备和字符设备

网络

文件系统

模块和热插拔

注:本文为《深入Linux内核架构》 的学习笔记

理解Linux内核最好预备的知识点：

懂C语言

懂一点操作系统的知识

熟悉少量相关算法

图1 Linux内核组成部分

哪些地方用到了内核机制？

1.进程（在cpu的虚拟内存中分配地址空间，各个进程的地址空间完全独立;同时执行的进程数最多不超过cpu数目）之间进行通 信，需要使用特定的内核机制。

2.进程间切换(同时执行的进程数最多不超过cpu数目)，也需要用到内核机制。

进程切换也需要像FreeRTOS任务切换一样保存状态，并将进程置于闲置状态/恢复状态。

3.进程的调度。确认哪个进程运行多长的时间。

Linux进程

1.采用层次结构，每个进程都依赖于一个父进程。内核启动init程序作为第一个进程。该进程负责进一步的系统初始化操作。init进程是进程树的根，所有的进程都直接或者间接起源于该进程。

2.通过pstree命令查询。实际上得系统第一个进程是systemd，而不是init（这也是疑问点）

3.系统中每一个进程都有一个唯一标识符(ID),用户（或其他进程）可以使用ID来访问进程。

Linux创建新进程的机制;

1.使用fork函数。

功能：创建当前进程的一个副本。父进程和子进程只有PID（进程ID）不同。父进程的内容被复制。(写时复制：可以了解下这个概念)

2.使用exec函数。

功能：将一个新程序加载到当前进程的内存中并执行。旧程序的内存页将刷出，其内容替换为新的数据。然后开始执行新程序。

Linux线程

进程可以看成是一个正在执行的程序，而线程则是与主程序并行运行的程序函数或例程。

Linux创建新线程

采用clone方法创建线程。

内核线程

特点：

1.不与任何特定的用户空间进程相关联。

2.与中断上下文运转的内核相比，内核线程可以进入睡眠状态,也可以像系统中的普通进程一样被调度器跟踪。

用途：

1.从内存和块设备之间的数据同步。

2.帮助调度器在CPU上分配进程。

如何查看内核线程：

命令：ps fax 方括号内的就是内核线程。

地址空间与特权级别

在正式介绍之前先介绍几个单位：

KiB ２^10字节

MiB ２^20

GiB ２^30

地址空间

虚拟地址与物理地址：

虚拟地址：在计算机的专用术语中是指标识一个虚拟(非物理地址)的实体地址。

物理地址：切切实实存在的地址。在存储器里以字节为单位存储信息，为正确地存放或取得信息，每一个字节单元给以一个唯一的存储器地址，称为物理地址。

映射关系：

用页表为物理地址分配虚拟地址

注意：未必虚拟地址的所有页都映射到某个页帧。

原因：

1.页没有内存可以使用

2.数据尚不需要使用而没有载入内存。

3.页已经换出硬盘，需要时再换回内存。

页帧：物理内存页

页：专指虚拟地址空间中的页。

页表：将虚拟地址空间映射到物理地址空间的数据结构。

多级分页：建立虚拟地址到物理地址映射的一种方法，能有效减少内存用量。

CPU加速内存的访问过程，方法：

1.MMU(Memory Management Unit)内存管理单元

2.TLB(Translation Lookaside Buffer)地址转换后备缓冲器

IA-32位结构的CPU只需要使用二级页表,Linux内核总是使用四级页表，剩余部分由内核通过控页表对缺少的页表进行仿真。

概念注意：

1.CPU的字长决定了所能管理的地址空间的最大长度。对于32位系统是２^32 B = 4GiB

2.虚拟地址空间：地址空间的最大长度与实际可用的物理内存的数量无关。

虚拟地址空间划分为两个部分：

内核空间

用户空间

如图2所示：

图2 虚拟内存的划分

有个等价名称值得一提：

用户层：指应用程序本身。指不属于内核的东西。

用户空间：不仅可以表示应用程序，还指代应用程序所运行的虚拟地址空间的一部分。与内核空间相对。

注意：每一个进程都有上述独立的虚拟地址空间。对于图2所示，每个进程有4GiB的内存空间。

特权级别

Linux有两种状态，两种状态代表两种特权级别：

核心态:在虚拟地址的内核空间运行的状态。

用户状态:在虚拟地址的用户空间运行的状态。

注意：在用户状态禁止访问内核空间

这两种状态的差别在于：对高于TASK_SIZE的内存区域的访问。

系统调用

定义：从用户状态到核心态的切换通过系统调用的特定手段完成。

方法：

1.内核代表用户程序执行代码

2.异步硬件中断激活，然后在中断上下文中进行。注意：在中断上下文运行时，内核不能进入睡眠状态。

注意：

CPU大多数在执行用户空间中的代码。当应用程序执行系统调用时，则会切换到核心态，内核将完成其请求。在此期间，内核可以访问虚拟地址空间的用户部分。在系统调用完成之后，CPU切换回用户状态。

硬件中断也使CPU切换到核心态，但这种情况下内核不能访问用户空间。

系统调用有哪些：

进程管理

信号

文件

目录和文件系统

保护机制

定时器函数

如：在IA-32处理器上，Linux使用一个专用软件中断执行系统调用。

设备驱动程序、块设备和字符设备

设备驱动程序的任务:是在于支持应用程序经由设备文件与设备通信。换言之，使得能按恰当的方式在设备上读取/写入数据。

设备驱动程序的定义：用于与系统连接的输入/输出装置通信。如硬盘、软驱、各种接口、声卡等。

外设分为两类：

1.字符设备。提供连续的数据流，数据可以顺序读取，通常不支持随机存取。支持按字节/字符来读写数据。

典型:调制解调器

2.块设备。可以随机访问设备数据，程序可以自行确定读取数据的位置。不支持基于字符寻址，数据读写只能以块的倍数进行。

典型:硬盘。

复杂性:比字符设备复杂，因为设计到缓存机制。

网络

网卡也可以通过设备驱动程序控制。

但在内核中，网卡不能以设备文件访问。因为网络通信期间数据打包到各种协议层，内存处理数据必须针对协议层处理，才能有效将数据对接应用程序。

为了支持用文件接口处理网络连接。Linux提供了套接字抽象，套接字可以看成是应用程序、文件接口、内核的网络实现之间的代理。

文件系统

文件存储在硬盘或者其他块设备(如光盘等),采用层次式文件系统。

文件系统使用目录结构主治存储的数据，并将其他原信息（如所有者、访问权限等）关联起来。

Linux支持许多不同的文件系统：

如标准的Ext2和Ext3文件系统、ReiserFS、XFS、VFAT等

注意：软件层（Virtual Filesystem虚拟文件系统）内核必须提供一个额外的软件层，将各种底层的文件系统的具体特征与应用层隔离开。如图3所示。

图3 文件系统的额外软件层

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