LINUX内核
linux操作系统的组成
linux操作系统的组成1.内核（Kernel）Linux内核是整个Linux操作系统的核心，它负责管理系统资源，包括硬件、内存、进程、文件系统等。
内核提供了一系列系统调用，用户空间程序可以通过这些系统调用来访问内核提供的功能。
2.用户空间（User Space）用户空间是操作系统中除内核之外的部分。
用户空间包括Shell、图形界面、应用程序等。
用户空间通过系统调用来访问内核提供的功能。
用户空间和内核之间有一个保护机制，保证用户空间程序不能直接访问内核资源，只能通过系统调用。
3.ShellShell是Linux系统中的命令解释器，它充当了用户和内核之间的接口。
用户可以在Shell中输入命令，Shell解析命令并通过系统调用调用内核提供的功能。
Linux操作系统中常用的Shell有Bash、Zsh、Fish等。
4.文件系统（File System）Linux操作系统支持多种文件系统，包括Ext2、Ext3、Ext4、Btrfs、XFS等。
文件系统是管理文件和目录的机制，它负责在硬盘上分配空间，存储文件内容和元数据。
文件系统还提供了一些额外的功能，如权限管理、链接、快速查找等。
5.设备驱动程序（Device Driver）设备驱动程序是连接硬件设备和内核的桥梁，它转换设备的IO请求为内核能够理解的形式，并向内核提供设备的状态信息。
Linux操作系统支持多种设备驱动程序，包括字符设备驱动程序、块设备驱动程序、网络设备驱动程序等。
6.命令行工具（Command-Line Tool）Linux操作系统提供了丰富的命令行工具，可以轻松地完成各种任务。
常见的命令行工具有ls、cp、mv、mkdir、rm等，还有一些高级工具，如awk、sed、grep等。
7.图形界面（Graphical User Interface）Linux操作系统提供了多种图形界面，如GNOME、KDE、Xfce、LXDE等。
图形界面提供了一种更加友好的交互方式，用户可以通过鼠标点击、拖拽等方式完成操作，极大地提高了用户的工作效率。
linux系统结构框架
linux系统结构框架
Linux系统一般有4个主要部分：内核、shell、文件系统和应用程序。
内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。
1.内核：内核是操作系统的核心，具有很多最基本功能，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。
Linux 内核由如下几部分组成：内存管理、进程管理、设备驱动程序、文件系统和网络管理等。
2.Shell：shell是命令行解释器，可以为用户提供对系统的访问，也可以被用作程序或者脚本的命令行环境。
有多种shell可以选择，比如bash,zsh,ksh等。
3.文件系统：Linux系统使用一个基于文件的层级结构来组织和存储系统资源。
每个文件和目录都从根目录“/”开始，然后层层嵌套。
4.应用程序：Linux系统上可以运行各种应用程序，包括文本编辑器、浏览器、开发工具等。
应用程序为用户提供了使用系统的接口。
在更细致的层次结构上，Linux系统的内存管理分为几个主要组件，包括物理内存管理、虚拟内存管理以及内核内存管理等。
物理内存管理负责物理内存的分配和回收，虚拟内存管理则将物理内存映射到虚拟地址空间，并实现内存的共享和保护。
内核内存管理则负责内核空间的分配和释放，以及内核页面的交换等。
Linux内核.ppt
❖ LINUX文件系统: Linux文件系统是文件存放在磁盘等存储设
备上的组织方法。Linux能支持多种目前浒的文件系统，如EXT2、EXT3、 FAT、VFAT、ISO9660、NFS、SMB等。
❖ LINUX应用系统：标准的Linux系统都有一整套称为应
用程序的程序集，包括文本编辑器、编程语言、X Window、 办公套件、Internet工具、数据库等。
❖GNU 软件和派生工作均适用 GNU 通用公共许 可证，即 GPL（General Public License ）
❖Linux的开发使用了众多的GUN工具
<>
GPL－开源软件的法律
❖GPL 允许软件作者拥有软件版权 ❖但GPL规定授予其他任何人以合法复
制、发行和修改软件的权利。
<>
2. Linux系统的主要特点
内核模块的能力
所有模块全部运行在内核态，直接调用函数，无需消息传递 支持多称多处理SMP机制
讲究效率的单模块操作系统
进程管理
内存管理
设备管理
文件管理
模块之间可以互相调用的单模块结构 <>
讲究效率的单模块操作系统
❖模块之间直接调用函数，除了函数调用 的开销外，没有额外开销。 ❖庞大的操作系统有数以千计的函数 ❖复杂的调用关系势必导致操作系统维护 的困难
个平台使它仍然能按其自身的方式运行的能力。Linux是一种可 移植的操作系统，能够在从微型计算机到大型计算机的任何环境 中和任何平台上运行。
3. LINUX的组成
❖ LINUX的内核：内核是系统的核心，是运行程序和管理
像磁盘和打印机等硬件设备的核心程序。
❖ LINUX SHELL: Shell是系统的用户界面，提供了用户与内核进
linux内核命名规则
linux内核命名规则Linux内核是开源操作系统Linux的核心组件，负责管理计算机的硬件资源，并提供了许多系统调用和服务，以及各种设备驱动程序。
内核的命名规则是指在每个内核版本发布时，都会有一个特定的名称与之对应。
本文将介绍Linux内核命名规则及其背后的故事。
Linux内核的命名规则遵循一定的模式，通常由两个或三个部分组成：主版本号、次版本号和修订版本号。
例如，Linux内核的一个版本号可以是5.4.3，其中5是主版本号，4是次版本号，3是修订版本号。
这个命名规则的目的是为了方便用户识别和区分不同的内核版本。
内核的主版本号通常只在有重大变化或突破性的更新时才会增加，而次版本号则表示一些较小的功能性改进和更新。
修订版本号则用于修复一些bug和安全漏洞，并提供性能优化。
通过这种命名规则，用户可以根据版本号来判断内核的新旧程度和功能改进情况。
除了版本号之外，Linux内核的命名还有一个独特的特点，即每个版本都有一个与之对应的代号。
这些代号通常是由内核的主要开发者之一——林纳斯·托瓦兹（Linus Torvalds）来命名的。
这些代号通常是以字母顺序排列的，例如2.6.17版本的代号是“骑士”（Knight），2.6.24版本的代号是“爱莎”（Elvira）。
这些代号的选择并没有特定的规则，通常是林纳斯根据自己的喜好和兴趣来决定的。
有时，这些代号可能与一些有趣的事物或人物相关联，例如2.6.20版本的代号是“怀旧”（Valhalla），是因为林纳斯喜欢玩一款名为“怀旧”（Valhalla）的电子游戏。
而有些代号则是纯粹的幽默和调侃，例如2.6.29版本的代号是“凯特琳”（Kitten），是为了取悦他的女儿。
除了版本号和代号之外，Linux内核的命名还有一些特殊的规则和限制。
首先，每个代号只能在一个版本中使用一次，以确保每个版本的代号都是独一无二的。
其次，代号必须是以字母开头的英文单词，以避免与数字或其他特殊字符产生冲突。
linux内核是什么意思
千锋教育精品课程 全程面授 千锋教育-中国IT 职业教育领先品牌 linux 培训学院哪家好Linux 是常常用来形容整个基于Linux 内核，并且使用工程各种工具和数据库的操作系统。
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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核心函数
linux核心函数Linux 内核是操作系统的核心部分，它提供了操作系统的核心功能，包括进程管理、内存管理、文件系统等。
Linux 内核的源代码中包含了大量的函数，用于实现各种操作系统的功能。
以下是一些Linux 内核中常见的核心函数，它们扮演着关键的角色：1.进程管理函数：–fork()：创建一个新的进程。
–exec()：在当前进程中执行一个新的程序。
–wait()：等待子进程结束。
–exit()：终止当前进程。
2.调度和任务管理函数：–schedule()：进行进程调度。
–yield()：主动让出CPU，将当前进程移动到就绪队列的末尾。
–wake_up_process()：唤醒一个等待中的进程。
3.内存管理函数：–kmalloc()：在内核中分配内存。
–kfree()：释放内核中的内存。
–vmalloc()：在虚拟地址空间中分配内存。
4.文件系统函数：–open()：打开一个文件。
–read()：从文件中读取数据。
–write()：向文件中写入数据。
–close()：关闭文件。
5.设备驱动函数：–register_chrdev()：注册字符设备。
–unregister_chrdev()：注销字符设备。
–request_irq()：注册中断处理函数。
6.网络函数：–socket()：创建套接字。
–bind()：将套接字与地址绑定。
–listen()：侦听传入连接请求。
–accept()：接受传入的连接请求。
7.定时器和时钟函数：–timer_create()：创建一个定时器。
–timer_settime()：设置定时器的时间。
–gettimeofday()：获取当前时间。
8.同步和互斥函数：–spin_lock()：获取自旋锁。
–spin_unlock()：释放自旋锁。
–mutex_lock()：获取互斥锁。
–mutex_unlock()：释放互斥锁。
这些函数仅仅是Linux 内核中众多函数的一小部分，Linux 内核的源代码非常庞大而复杂，包含了各种各样的功能和模块。
linux kernel 参数
linux kernel 参数Linux内核参数是用于调整和控制Linux操作系统内核行为的设置。
这些参数可以在系统启动时通过启动脚本（如`init`进程）或在内核启动过程中通过命令行指定。
它们影响系统的性能、稳定性、安全性以及资源管理等方面。
内核参数可以分为几个大类：1. **进程管理**：例如，`max_map_count`限制了系统可以创建的最大文件映射数量，`nr_cpus`设置了系统中可用的CPU核心数。
2. **内存管理**：比如，`vm.swappiness`设置了系统倾向于使用交换空间的程度，`kmem.max`限制了内核可使用的最大内存量。
3. **文件系统**：`fs.file-max`设置了系统级别的文件描述符最大数量，`fs.aio-max-nr`限制了系统层面的异步I/O操作的最大数量。
4. **网络**：`net.ipv4.tcp_fin_timeout`设置了TCP连接中FIN包的超时时间，`net.ipv4.ip_local_port_range`定义了用于出口连接的本地端口范围。
5. **安全和稳定性**：`kernel.shmmax`和`kernel.shmall`限制了系统中的最大共享内存段和共享内存页的数量。
6. **虚拟化**：例如，`vm.dirty_ratio`和`vm.dirty_background_ratio`控制了内存中脏数据的最大比例和开始后台写入操作的比例。
这些参数可以通过编辑启动脚本（如`/etc/sysctl.conf`），使用`sysctl`命令实时调整，或者在引导时通过`init`系统的命令行接口设置。
正确地设置这些参数可以优化系统性能，适应特定的硬件资源和workload 需求。
不过，不当的设置也可能会导致系统不稳定或者其他问题。
因此，在调整内核参数时需要谨慎，并确保理解每个参数的作用。
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Linux2.6最新进程状态特性： 1. TASK_DEAD状态区分两个不同的exit_state：
EXIT_ZOMBIE：进程已终止，它正等待其父进程收集关于它的一些统计 信息。 EXIT_DEAD：最终状态。其父进程已经通过 wait4() 或 waitpid() 调用收集 所有统计信息，为了防止其他执行线程对同一进程也执行wait()类系统调 用。
slab分配器
由于操作系统在运行中会不断产生、使用、释放大 量重复的对象， 所以对这样的重复对象的生成进行 改进可以大大提高效率 Slab将缓存分为两种： 1、专用高速缓存：用来存放内核使用的数据结构， 例如：mm, skb, vm等等 2、普通高速缓存：指存放一般的数据，比如内核为 指针分配一段内存
用户态和内核态
（CPU：ckcore）
标志 运行指令
内核态 PSR最高位1 无限制
用户态 PSR最高位0 特权指令不可执行 0~2G可访问
地址空间(MMU) 0~4G可访问
Ckcore的特权指令有：MFCR、MTCR、PSRSET、 PSRCLR、RFI、RTE、STOP、WAIT、DOZE 这里所说的地址空间是虚拟地址而不是物理地址
一个典型的Linux操作系统的结构
(the users) Shells and commands Compilers and interpreters System libraries System-call interface to the kernel Memory manager Signal 。。 。 File systems Device drivers Process management Net work
学习LINUX内核
• 杭州中天微系统 • 软件组：叶 云
Linux 简介
Linux是免费的、源代码开放的、符合POSIX标准规范的操作系统 。 版本历史：
1991年，诞生 … 2001年，Linux2.4版内核发布 2003年，Linux2.6版内核发布
Linux特性
抢占式多任务处理 PMMU -- 页式内存管理 VFS – 虚拟文件系统 网络功能（如，支持TCP/IP ） 动态加载模块 支持SMP 支持绝大多数的32位和64位CPU 等
什么是系统调用？
调用系统调用fork生成 生成 调用系统调用 一个shell本身的拷贝 一个 本身的拷贝 调用exec系统调用将 系统调用将ls 调用 系统调用将 的可执行文件装入内存
从系统调用返回
系统调用是怎 么实现的？ fork是什么？ 为什么要调用fork？
Shell和ls都得以执行 和 都得以执行
Linux 2.6 新引入O(1)调度算法
运行时间和就绪队列中的进程数无关
调度时机
A. 用户进程自愿放弃CPU，如执行sleep()系统调 用； B. 系 统 调 用 中 ， 需 要 等 待 时 ， 直 接 调 用 schedule()进行调度； C. 系统调用、中断或异常处理完成后，返回到用 户空间前，若当前进程的描述符中的 need_resched = 1，则发生调度； 内核是否为preemptible：视 C中的中断处理完成， 但返回内核空间时，是否仍有调度时机。
区分用户态和内核态目的在于安全考虑： 禁止用户程序和底层硬件直接打交道 (最简单的例子，如果用户程序往硬件控 制寄存器写入不恰当的值，可能导致硬件 无法正常工作) 禁止用户程序访问任意的物理内存 (否则可能会破坏其他程序的正常执行， 如果对内核所在的地址空间写入数据的话 ，会导致系统崩溃)
用户程序如何同设备打交道？
用户应用程序 Shell，lib ， System call Kernel implementation 对硬件资 源的管理
Kernel interface to the hardware Terminal controllers Terminals Device controllers Disks and tapes Memory controllers Physical memory
• 基本信息 • 管理信息 • 控制信息
Linux2.6进程的状态 NhomakorabeaTASK_RUNNING：可运行。 ： TASK_INTERRUPTIBLE与TASK_UNINTERRUPTIBLE：睡眠等待。 interrupt指软中断，即信号。前者可被信号唤醒，后者不能。 TASK_STOPPED：暂停状态。主要用于调试。 TASK_TRACED：进程被监控。 TASK_DEAD：死亡状态。进程退出（调用do_exit()）。 TASK_WAKEKILL：在接收到致命信号时唤醒进程。
TASK_KILLABLE可以替代TASK_UNINTERRUPTIBLE在某些地方的应用。
进程状态转换图
TASK_DEAD ( EXIT_ZOMBIE 或EXIT_DEAD)
TASK_INTERRUPTIBLE or TASK_UNINTERRUPTIBLE or TASK_KILLABLE
进程的内核堆栈
Linux 基本概念
• • • • • • 系统调用 内存管理 进程管理 文件系统 信号机制 内核初始化过程
提纲
• • • • • • • 虚拟内存 虚拟内存到物理内存映射方法 物理内存和虚拟空间的管理 页面异常处理 页面交换策略 slab分配器 ioremap
虚拟内存
物理内存有限，是一种稀缺资源 32位系统中，每个进程独立的占有4G虚拟空间。 虚拟内存优势： 用户程序开发方便 保护内核不受恶意或者无意的破坏 隔离各个用户进程
标识一个进程
使用进程描述符（task_struct） –进程和进程描述符之间有非常严格的一一对 应关系 使用PID (Process ID，PID) –每个进程有唯一的PID号，存放在进程描述 符的pid域中
进程描述符
进程描述符提供了内核所需了解的进程信 息
– include/linux/sched.h struct task_struct – 数据结构很庞大
系统调用图解
trap 0
Linux 2.6 提供了300多个系统调用，用户可以 通过这些系统调用，及它们的组合实现对设备 的操作。 通常，应用程序开发并不直接和系统调用打交 道，而是用C库提供的一层包装函数。 如，malloc() sbrk() sys_brk 内核函数 sys_brk 是45号系统调用, C库中它的系统调用方 式可能是： … movi r1, 45 trap 0 …
task_struct，专用的用户空间，并利用这些资 源运行一个或者多个程序。 如果没有用户空间，则是 内核线程(thread); 如果共享用户空间，则称为 用户线程。 进程和线程是进程调度的基本单位。
进程的管理
内核维护着若干进程链表，用于进程的管理 和调度。 所有进程链表
进程可运行链表
内核把所有处于TASK_RUNNING状态的进 程组织成一个可运行双向循环队列。 调度函数通过扫描整个可运行队列，取得 最值得执行的进程投入执行。避免扫描所有 进程，提高调度效率。 问题：可运行进程（n）越多，每次调度的开 销越大。这是2.4的O(n)调度算法的缺点。
Linux为每个进程分配一个8KB大小的内存区域， 用于存放该进程两个不同的数据结构： –thread_info –进程的内核堆栈
• 进程处于内核态时使用不 同于用户态堆栈 • 内核控制路径所用的堆栈 很少，因此对栈和描述符 来说，8KB足够了
thread_info
再看进程的概念
进程：有独立的内核堆栈（如8k），一个
物理内存获取过程： 用户程序请求物理内存 内核分配物理页面 内核填写对应页表项 用户程序获得物理内存 从这个过程看出，内存管理的核心内容是：物理 页面分配 和 所有进程页表的维护，即物理内存 管理 和 虚拟空间管理。
物理内存管理
虚拟空间管理
缺页异常处理
物理页面并不预先分配，而是用到时发现缺少 再分配。 典型的页面分配过程：
0x8000 0 8000 0000
User Mapped (Useg:2GB)
0x0000 0000
在ckcore Linux中，2G以上是内核空间，2G以下是用户空间。
虚拟地址到物理地址转换
问题：内核为每个进程管理一个PT，占据内 存 4MB。
虚拟地址到物理地址转换：多级映射
内核为每个进程管理一个PGD表， PT则需要 时再分配。占内存 4kB+4KB*N
内存管理模块，进程的地址空间， 分页机制，文件系统 堆栈的维护，寄存 如何做到正确的返回？ 器的保存与恢复 进程的调度，运行队列 等待队列的维护
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
提纲
• 用户态和内核态 • 系统调用意义 • 系统调用方法
系统调用过程：
执行陷阱异常指令trap 0 进入异常后，处理器PSR最高位被硬件置1，实现 普 通用户 到 特权用户 的转变 根据系统调用号（r1传入），调用相应函数，满足 用户需求 系统调用返回，重新回到用户态，用户获得资源。
API和系统调用完全不同：
–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
2. 添加TASK_WAKEKILL 用于在接收到致命信号时唤醒 进程：
#define TASK_KILLABLE (TASK_WAKEKILL | TASK_UNINTERRUPTIBLE) #define TASK_STOPPED (TASK_WAKEKILL | __TASK_STOPPED) #define TASK_TRACED (TASK_WAKEKILL | __TASK_TRACED)
最简单也是最复杂的操作
在控制台下输入ls命令 在控制台下输入 命令 Shell程序分析输入参 程序分析输入参 确定这是ls命令 数，确定这是 命令