Linux内核简介

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
• 懂计算机体系结构

Linux内核的特点：

结合了unix操作系统的一些基础概念

Linux内核的任务：

1.从技术层面讲，内核是硬件与软件之间的一个中间层。作用是将应用层序的请求传递给硬件，并充当底层驱动程序，对系统中的各种设备和组件进行寻址。
2.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。在实际工作中内核抽象了相关细节。
3.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。

4.内核就像一个库，提供了一组面向系统的命令。系统调用对于应用程序来说，就像调用普通函数一样。

内核实现策略：

1.微内核。最基本的功能由中央内核（微内核）实现。所有其他的功能都委托给一些独立进程，这些进程通过明确定义的通信接口与中心内核通信。

2.宏内核。内核的所有代码，包括子系统（如内存管理、文件管理、设备驱动程序）都打包到一个文件中。内核中的每一个函数都可以访问到内核中所有其他部分。目前支持模块的动态装卸(裁剪)。Linux内核就是基于这个策略实现的。

内核的组成部分：

1.用户空间（在“地址空间与特权级别”小节会详细介绍）：
应用程序：
C库


2.内核空间（在“地址空间与特权级别”小节会详细介绍）：
核心内核
设备驱动程序

硬件

详细可参考图1

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

参考文献：

[1]Wolfgang Mauerer.《深入Linux内核架构》 Wolfgang Mauerer著 郭旭译 人民邮电出版社