Linux内核小梳理

主要引用摘录公众号“小林coding”的文章，博客也是用来当笔记用，如果有侵权请联系我删除。

内核

Q：什么是内核？

内核作为应用连接硬件设备的桥梁，应用程序只需关心与内核交互，不用关心硬件的细节。

Q：内核是起什么作用的呢？

内核一般提供4个基本能力：
1. 进程调度： 管理进程、线程、决定哪个进程、线程使用CPU
2. 内存管理： 管理内存，决定内存的分配和回收
3. 硬件通信能力： 为进程与硬件设备之间提供通信能力
4. 提供系统调用： 当应用程序要运行更高权限运行的服务，就要有系统调用。

Q：内核是怎么工作的？

大多数操作系统，把内存分成两个区域：
1. 内核空间，这个内存空间仅内核程序可以访问。
2. 用户空间，这个内存空间专门给应用程序使用。
当程序使用用户空间时，这程序就在用户态执行，当程序使用内核空间时，这程序就在内核态执行。
应用程序如果需要进入内核空间，就需要通过【系统调用】

Linux的设计

Q：Linux的设计理念是什么？

Linux内核设计的理念主要有这几个点：
1. MutiTask: 多任务
2. SMP: 对称多任务
3. ELF: 可执行文件链接格式
4. Monolithic Kernel: 宏内核

1. MutiTask ，意思是多任务，Linux毕竟是一个多任务的操作系统嘛

2. SMP， 意思是对称多任务，代表每个CPU的地位是相等的，对资源的使用权限也是相同的，多个CPU共享同一个内存，每个CPU都可以访问完整的内存和硬件资源。

3. ELF，意思是可执行文件链接格式，是Linux操作系统中可执行文件的存储格式。
   

Q：ELF文件是怎么生成的呢？

• 我们编写的代码，首先通过【编译器】编译成汇编代码，接着通过【汇编器】变成目标代码，也就是目标文件，最后通过【链接器】把多个目标文件以及调用的各种函数库链接起来，形成一个可执行文件，也就是ELF文件。

Q：ELF文件是怎么被执行的呢？

• 执行ELF文件的时候，会通过【装载器】把ELF文件装载到内存中，CPU读取内存中的指令和数据，于是程序就被执行起来了。

4. Monolithic Kernel（宏内核）

• 宏内核的特征是系统内核的所有模块，比如进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动等，都运行在内核态。
• 与宏内核相反的是微内核，微内核架构的内核只保留最基本的能力，比如进程调度、虚拟机内存、中断等，把一些应用放到了用户空间，比如驱动程序、文件系统等。这样，服务与服务之间是隔离的，单个服务出现故障或者完全攻击，也不会导致整个操作系统挂掉，提高了系统的稳定性和可靠性。
• 微内核功能少，可移植性高，相比宏内核有一点不好的地方在于，由于驱动程序不在内核中，而且驱动程序一般会频繁调用底层能力的，于是驱动和硬件设备交互就需要频繁切换到内核态，这样会带来性能损耗。
• 还有一种内核叫混合类型内核，它的架构有点像微内核，内核里面会有一个最小版本的内核，然后其他模块会在这个基础上搭建，然后实现的时候会跟宏内核类似，也就是把整个内核做成一个完整的程序，大部分服务都在内核中，这就像是宏内核的方式包裹着一个微内核。