(完整版)linux内核技术
Linux操作系统的内核设计分析
Linux操作系统的内核设计分析Linux操作系统作为开源操作系统的代表，已经在各个领域得到了广泛应用。
而Linux操作系统的内核则是这个系统之所以能够运转的关键所在。
本文将就Linux操作系统的内核设计进行分析，并探讨其优劣之处。
一、Linux内核设计的基础Linux内核的设计基础主要包括以下几个方面：1. 开放源码Linux内核采用的是GPL协议，这意味着它是一个开放源码的项目。
这为世界各地的开发人员提供了极大的便利，方便他们进行开发和修改。
同时，这也确保了Linux内核的透明度，并且鼓励开发者贡献代码的同时，深度参与到Linux开源社区的构建和升级中。
2. 模块化Linux内核的构造采用的是模块化设计。
这种设计方式将内核代码分成独立的模块，每个模块都可以独立编译、加载和卸载。
采用模块化的设计，能够使得开发人员能够更加细致地打包、编译、并部署只包含他们需要的模块的系统。
3. 多任务Linux内核是一个基于多任务设计的系统。
这意味着它能够使得多个程序同时运行，并能够平滑高效地进行任务的切换。
这给开发人员提供了各种各样的自由，使得他们能够更加高效地进行开发。
4. 支持众多处理器架构Linux内核的支持范围非常广泛，它可以适配众多处理器架构。
这意味着一个制造商可以使用不同的处理器架构去生产设备，并且这些设备都能够安装和运行Linux操作系统。
5. 外层调用接口Linux内核支持开放式的外层调用接口。
这使得用户层可以很容易地调用Linux 内核执行某个任务。
这些用户层应用包括网上购物网站、应用程序和各种驱动程序。
6. 子系统Linux内核的子系统主要包括进程管理、内存管理、I/O管理和网络管理等。
二、Linux内核的优点Linux内核具有以下主要优点：1. 开源性Linux内核本身是一个开源的、由社区驱动的项目。
这意味着在它的附加组件和周边产品中，广大的开发者社区都可以为用户提供帮助和支持。
2. 安全性相比其他闭源操作系统，Linux内核在安全性方面更具优势。
《深入Linux内核架构》.pdf
《深入Linux内核架构》.pdf
Linux内核是什么？
Linux内核只是Linux操作系统一部分。
对下，它管理系统的所有硬件设备；对上，它通过系统调用，向Library Routine（例如C库）或者其它应用程序提供接口。
因此，Linux内核的任务有：
•从技术层面讲，内核是硬件与软件之间的一个中间层
•从应用程序的层面讲，应用程序与硬件没有联系，只与内核有联系，内核是应用程序知道的层次中的最底层
•内核是一个资源管理程序。
负责将可用的共享资源(CPU时间、磁盘空间、网络连接等)分配得到各个系统进程
•内核就像一个库，提供了一组面向系统的命令
众所周知，Linux操作系统的源代码复杂、文档少，对程序员的要求高，要想看懂这些代码并不是一件容易事。
最近很多小伙伴问我要一些Linux内核相关的资料，于是我翻箱倒柜，找到了这本非常经典的电子书——《深入Linux内核架构》。
linux操作系统的基本原理
linux操作系统的基本原理
Linux操作系统是一种开源的自由操作系统，其基本原理包括以下几个方面：
1. 内核：Linux操作系统的核心是内核，它是操作系统的核心模块，控制着系统的所有硬件和软件资源。
内核具有多任务处理、进程管理、文件系统管理、设备管理、内存管理等功能。
2. 虚拟文件系统：Linux操作系统使用虚拟文件系统（VFS）作为文件系统的框架。
VFS为所有文件系统提供了一个通用的接口，使得文件系统可以互相转换。
3. Shell：Linux操作系统使用的命令行接口被称为Shell。
Shell是用户与内核交互的一种方式，用户可以通过Shell来执行命令、管理文件、创建进程等。
4. 程序库：Linux操作系统提供了一系列的程序库，如C库、X库等，这些程序库提供了一些基本的函数和工具，方便程序员开发应用程序。
5. 系统调用：Linux操作系统提供了大量的系统调用，它们是用户程序和内核之间的接口。
用户程序可以通过系统调用来访问内核提供的各种服务，如读写文件、创建进程、网络通信等。
Linux操作系统的基本原理为开发者和用户提供了一个稳定、高效、灵活的操作系统。
它的开源特性使得用户可以自由地修改和定制操作系统，满足不同需求。
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什么是Linux内核Linux内核体系结构
什么是Linux内核 Linux内核体系结构前言本文主要讲解什么是Linux内核，以及通过多张图片展示Linux内核的作用与功能，以便于读者能快速理解什么是Linux内核，能看懂Linux内核。
拥有超过1300万行的代码，Linux内核是世界上最大的开源项目之一，但是内核是什么，它用于什么?02什么是内核内核是与计算机硬件接口的易替换软件的最低级别。
它负责将所有以“用户模式”运行的应用程序连接到物理硬件，并允许称为服务器的进程使用进程间通信(IPC)彼此获取信息。
03内核还要分种类？是的，没错。
3.1 微内核微内核只管理它必须管理的东西:CPU、内存和IPC。
计算机中几乎所有的东西都可以被看作是一个附件，并且可以在用户模式下处理。
微内核具有可移植性的优势，因为只要操作系统仍然试图以相同的方式访问硬件，就不必担心您是否更改了视频卡，甚至是操作系统。
微内核对内存和安装空间的占用也非常小，而且它们往往更安全，因为只有特定的进程在用户模式下运行，而用户模式不具有管理员模式的高权限。
3.1.1 Pros可移植性安装占用空间小小内存占用安全3.1.2 Cons通过驱动程序，硬件更加抽象硬件可能反应较慢，因为驱动程序处于用户模式进程必须在队列中等待才能获得信息进程不能在不等待的情况下访问其他进程3.2 单内核单内核与微内核相反，因为它们不仅包含CPU、内存和IPC，而且还包含设备驱动程序、文件系统管理和系统服务器调用等内容。
单内核更擅长于访问硬件和多任务处理，因为如果一个程序需要从内存或运行中的其他进程中获取信息，那么它就有一条更直接的线路来访问信息，而不需要在队列中等待来完成任务。
但是，这可能会导致问题，因为在管理模式下运行的东西越多，如果行为不正常，就会有越多的东西导致系统崩溃。
3.2.1 Pros更直接地访问程序的硬件流程之间更容易通信如果支持您的设备，它应该不需要额外安装就可以工作进程反应更快，因为没有等待处理器时间的队列3.2.2 Cons较大安装体积较大内存占用不太安全，因为所有操作都在管理模式下运行04混合的内核混合内核能够选择在用户模式下运行什么，以及在管理模式下运行什么。
linux内核简介.ppt
–API只是一个函数定义 –系统调用通过“软中断”向内核发出一个明确
的请求
2020年2月10日
东华大学计算机科学与技术学院 by XinLuo
10
系统调用图解 用户态
内核态
系统调用 1
系统调用 返回
2
trap 0
2020年2月10日
东华大学计算机科学与技术学院 by XinLuo
中断的概念，终端 控制台设备驱动
Shell程序分析输入参 数，确定这是ls命令
什么是shell？
终端解释程序
什么是系统调用？
内核态用户态相关问 题，内存保护
调用系统调用fork生成 一个shell本身的拷贝
调用exec系统调用将ls 的可执行文件装入内存
从系统调用返回
Shell和ls都得以执行
系统调用是怎 么实现的？
3
Linux 基本概念
• 系统调用 • 内存管理 • 进程管理 • 虚拟文件系统（VFS） • 信号机制 • 内核初始化过程
2020年2月10日
东华大学计算机科学与技术学院 by XinLuo
4
➢ 提纲
• 用户态和内核态 • 系统调用意义 • 系统调用方法
2020年2月10日
东华大学计算机科学与技术学院 by XinLuo
Memory manager Signal 。。。
File systems Process management Device drivers Net work
Kernel interface to the hardware
Terminal controllers Terminals
Device controllers Memory controllers
Linux内核的cpufreq(变频)机制
Linux内核的cpufreq(变频)机制linux低功耗研究也有一段时间了，基本把低功耗的实现方式想清楚了（主要分成机制和策略），这段时间的工作主要在机制上。
暂时想实现的主要的机制有：cpu级，设备驱动级，系统平台级。
管理颗粒度不断递增，形成三驾马车齐驱的形势。
cpu级：主要实现比较容易的在系统处于目标在于频繁发生、更高粒度的电源状态改变，主要的实现方式为idle，包括今天的主要想讲的动态主频。
设备驱动级：主要实现对单个设备驱动的管理（suspend，resume等），通过系统监测将闲置的设备，通过从用户态对sys文件目录动态进行单个驱动设备的管理，置于省电模式。
系统平台级：目标在于管理较大的、非常见的重大电源状态改变，用于减少产品设备在长时间的空闲之后，减少电源消耗。
主要实现方式是依托linux内核所支持的apm技术，实现整个系统的睡眠/恢复（sleep）这几个层次其实并不是相互独立的，都是相互交叉的，比如系统平台级的睡眠不可避免会涉及到cpu的sleep模式和设备驱动的挂起，而动态主频的实现除了cpu本身的支持也需要外围驱动随着主频变化做出相应的适应活动。
因此这里的分级只是一种粗范围的，逻辑上的分层。
前段时间还调研了一下IBM和Monta Vista搞得那套DPM（Dynamic Power Management）机制，看了不少论文和观点，总的感觉就是太过复杂而且也不是很实用，感觉噱头大过实际功效，（因此这套机制始终还不能进入内核的mainline），言归正传，还是重点讲述下cpufreq技术。
一、为什么要cpufreq？关于要不要实现cpufreq技术，我也纠结过，一个原因是：当时对内核如何提供这么一套动态变频的机制还不了解，只觉得应该非常麻烦，因为涉及到外围驱动的参数更新，另外一个原因是：在SEP4020这种体量的处理器上跑linux，即使运行在最高频率时的处理能力可能也不是很富余，我再给它降频还有没有意义？挣扎之后还是觉得要实现它，我也给自己列了这么几条原因：1. 虽然cpu在板级中已不是主要的耗电源，但是仍然占着举足轻重的位置，功耗机制到最后就是几毫安几毫安的扣了，降频肯定能在一定程序上节约功耗那我为什么不采用？2. 细化功耗管理的颗粒度，为应用程序提供更多的功耗节省机制3. 对普通的应用，系统可以运行在维持平台运作的最低频率，在有处理任务时，变频机制会自动切换到合适的高主频，并且在任务结束时重回省电的低主频，这样就解决了我之前的第二个疑惑。
linux内核
15.4 内核编译系统
Linux内核代码的复杂，需要一个强大的工程管理系统 ，幸好GNU提供了Makefile机制，此外，内核的开发者们还 提供了KBuild机制。通过Makefile和KBuild的结合，可以 出色的管理Linux内核代码。Linux内核的编译系统和代码 结构是紧密联系的，了解内核编译系统对分析内核代码和编 译内核都有帮助作用。
15.2.7 依赖体系结构的代码
Linux内核支持众多体系结构，内核把与设备无关的代 码放在arch目录，对应的头文件放在include/asm-<体系名 称>目录下。这样的划分代码结构清晰，同时提高了代码的 复用率。在arch目录里，每个子目录对应一种体系结构，存 放这种体系结构对应的代码，如果代码较多会单独建立一个 目录，例如arch/arm目录下，有一个kernel目录，存放的是 kernel目录中在arm体系结构上特有的函数或者实现方法； 在arch/i386目录存放了Intel X86体系结构的代码，不仅有 kernel目录，而且还有多个目录，例如mm目录包含了x86 体系上内存管理的实现方法，math-emu包含了x86体系上 浮点数模拟的实现等。读者在阅读内核代码的时候可以从一 个体系结构代码入手，对不同体系结构移植代码的主要工作 是arch里面的代码。
15.4.3 内核编译文件分析
Linux内核代码使用KBuild作为Makefile的基础架构。 Kbuild定义了若干的内置变量，本节介绍Kbuild的主要内置 变量和常用方法。 1．目标定义 2．内嵌对象 - obj-y 3．可加载模块 - obj-m 4．导出符号目标 5．库文件 - lib-y 6．目录递归 7．编译标记 8．依赖关系 9．特殊规则 10．$(CC)支持功能
Linux内核0.11体系结构——《Linux内核完全注释》笔记打卡
Linux内核0.11体系结构——《Linux内核完全注释》笔记打卡0 总体介绍⼀个完整的操作系统主要由4部分组成：硬件、操作系统内核、操作系统服务和⽤户应⽤程序，如图0.1所⽰。
操作系统内核程序主要⽤于对硬件资源的抽象和访问调度。
图0.1 操作系统组成部分内核的主要作⽤是为了与计算机硬件进⾏交互，实现对硬件部件的编程控制和接⼝操作，调度对硬件资源的访问，并为计算机上的⽤户程序提供⼀个⾼级的执⾏环境和对硬件的虚拟接⼝。
1 Linux内核模式操作系统内核的结构模式主要可分为整体式的单内核模式和层次是的微内核模式。
Linux 0.11采⽤了单内核模式。
如图1.2所⽰，单内核操作系统所提供的服务流程为：应⽤主程序使⽤指定的参数值执⾏系统调⽤指令(int x80)，使CPU从⽤户态切换到核⼼态，然后操作系统根据具体的参数值调⽤特定的系统调⽤服务程序，这些服务程序根据需要再调⽤底层的⼀些⽀持函数以完成特定的功能。
完成服务后，系统使CPU从核⼼态回到⽤户态，执⾏后续的指令。
图1.1 单内核模式的简单模型结构2 Linux内核系统体系结构Linux内核主要由5个模块构成，分别为：进程调度模块、内存管理模块、⽂件系统模块、进程间通信模块和⽹络接⼝模块。
模块之间的依赖关系如图2.1所⽰，虚线部分表⽰0.11版本内核中未实现部分（所有的模块都与进程调度模块存在依赖关系）。
图2.1 Linux内核系统模块结构及相互依赖关系从单内核模式结构模型出发，Linux 0.11内核源代码的结构将内核主要模块分配如图2.2所⽰。
（除了硬件控制⽅框，其他粗线分别对应内核源代码的⽬录组织结构）图2.2 内核结构框图3 Linux内核对内存的管理和使⽤对于机器中的物理内存，Linux 0.11内核中，系统初始化阶段将其划分的功能区域如图3.1所⽰。
图3.1 物理内存使⽤的功能分布图虚拟地址：(virtual address)由程序产⽣的由段选择符合段内偏移地址两个部分组成的地址。
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一、教学目的
SMP、多核系统、高性能浮点处理器和新型总线等创新技术，带动操作系统不断发展。
本课程使硕士生了解linux的基本原理和结构特征，提高应用现代操作系统的水平、能开发特定的内核功能、设备驱动程序和复杂应用软件的能力。
二、教学内容与要求
1掌握处理器在进程地址空间上的三种运行位置，了解内核编程不能使用C库函数和FPU，以及可能产生内存故障、核心栈溢出和四种内核竞争情形的原因。
（2学时）2熟悉进程描述符的组织，进程上下文和进程状态转换，和fork，exec，wait，exit，clone，linux线程和内核线程的实现原理和应用。
了解COW和避免出现孤儿进程技术。
（4小时）
3介绍支持SMP的O(1)调度，用户和内核抢占和进程上下文切换，了解优先级复算，睡眠和唤醒机制，SMP的负载均衡。
（4小时）
4掌握在x86体系结构上系统调用的具体实现原理，接口参数传递，用户地址空间和核心地址空间之间的数据传输，和增加新的系统功能的方法。
（2小时）5熟悉在x86体系结构上Linux中断和异常的处理原理，中断注册、共享、控制，和中断上下文的意义，中断和设备驱动程序的关系，以及设备驱动程序结构和用户接口。
（4小时）
6中断处理程序被分解为top half和bottom half的原因，介绍linux的softirq，tasklet，ksoftirqd和work queue，分析进程与top half，bottom half的竞争情形和同步。
（4小时）7掌握内核同步原理和方法：原子操作，自旋锁，（读—写）信号量，完成变量，bkl，seqlock和延迟内核抢占。
了解指令“路障”。
（4小时）
8介绍系统时钟和硬件定时器，单处理器和多处理器上的linux计时体系结构，定时的时间插补原理，单处理器和多处理器上的时钟中断处理，动态定时器的数据结构和算法原理，定时器竞争情形，延迟函数。
Time，gettimeofday，adjtimex，setitimer，alarm 的实现原理和应用。
（4小时）
9熟悉进程地址空间的区和页，分配和释放物理页，物理地址与逻辑地址、虚地址之间的映射，slub分配原理和方法，高端物理内存的映射。
（4小时）
10介绍VFS原理，超级块，inode结构和方法，dentry结构和方法，file结构和方法，以及进程打开文件表，linux中的文件系统。
（2小时）
11讲解块设备缓冲，bio结构，I/O请求队列，和有最终期限的块I/O调度算法。
（２小时）
12熟悉进程地址空间的分区，mm_struct结构，vm_area_struct结构和操作，，进程的页表文件映射接口mmap原理和方法。
（2小时）
13熟悉页cache和radix_tree，缓冲区cache，和pdflush内核线程原理。
（2小时）
三、教学方式
教学方式：课堂讲授
考试方式：堂上考试、考查都采用笔试。
四、考核方式与成绩评定
开卷考试。
期末成绩占100%。
五、教材及主要参考书目
1. Linux Kernel Development. Robert Love. Sams Publishing.
2. Understanding the Linux Kernel. Daniel P. Bover，Marco Cesati. O’Reilly.
3. Linux Device Drivers. Jonathan Corbet，Alessandro Rubini，Greg Kroah Hartman.
O’Reilly.
4. The Design of the UNIX Operating System（影印）. Maurice J. Bach，人民邮电出
版社。
5. The Design and Implementation of the Operating System（第二版）（影印）. Audreur
s. Tanenbaum 等，清华大学出版社。
（大纲撰写人：李毅）。