Linux——内核概念

一、内核

什么是内核？

计算机是由各种外部硬件设备组成的，如内存、cpu、硬盘等。如果每个应用都要和这些硬件对接通信协议，就太麻烦了，所以这个工作就由内核来负责。内核作为软件连接硬件设备的桥梁，使应用开发者只需关心如何与内核交互，而不是与硬件交互。

内核的任务？

内核一般会具有以下能力：

• 执行流调度：管理进程、线程，决定哪个进程、线程占用CPU；
• 内存管理：决定内存资源的分配和回收；
• 设备驱动：为进程与硬件设备之间提供通信能力；
• 系统调用：如果应用程序要运行更高权限运行的服务，就需要系统调用，它是用户程序与操作系统之间交互的接口。

内核是怎么工作的？

内核具有最高的权限，可以控制各种硬件。而用户程序具有的权限很小，因此操作系统把内存分成了两个区域：内核空间和用户空间。

内核空间和用户空间

• 内核空间只有内核程序可以访问；
• 用户空间专门给应用程序使用，当然内核程序也可以使用。

用户程序只能访问局部的内存空间，而内核程序可以访问所有内存空间。

内核态和用户态

当程序使用用户空间时，我们常说该程序在用户态执行；当程序使内核空间时，程序则在以内核态执行。

应用程序如果需要进入内核空间，就需要通过系统调用，下面来看看系统调用的过程：（参考信号处理）

当程序使用系统调用时会产生中断，CPU 会中断当前在执行的程序，跳转到中断处理程序，也就是开始执行内核程序。内核处理完后，主动触发中断，把 CPU 执行权限交回给用户程序，回到用户态继续执行后面的代码。

二、Linux的设计

Linux 内核的设计理念主要有以下几点：

• MultiTask，多任务
• SMP，对称多处理
• ELF，可执行文件链接格式
• Monolithic Kernel，宏内核

MultiTask

MultiTask 的意思是多任务，Linux 是一个多任务的分时操作系统。多任务意味着可以有多个任务并行运行。

• 对于单核 CPU：可以基于时间片轮转，每个任务执行一小段时间后就切换另一个任务。从宏观角度看，一段时间内执行了多个任务，称为串行。

• 对于多核 CPU：多个任务可以同时被不同核心的 CPU 同时执行，这被称为并行。

SMP (Symmetric Multi-Processor)

对称多处理。表示每个 CPU 的地位和对资源的权限是相等的，多个 CPU 共享内存，每个 CPU 都可以访问完整的内存和硬件资源。

这个特点决定了 Linux 不会有某个 CPU 独占程序，每个程序都可以被分配到任意一个 CPU 上被执行。

ELF (Executable and Linkable Format)

可执行文件链接格式。它是 Linux 中可执行文件的存储格式，可以从下图看到它的结构：

ELF 把文件分成了一个个分段，每一个段都有自己的作用。

ELF 文件有两种索引，Program header table 中记录了「运行时」所需的段，而 Section header table 记录了二进制文件中各个「段的首地址」。

ELF文件是如何生成的？

代码首先经过编译器编译成汇编代码，然后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，形成可执行文件，也就是 ELF 文件。

ELF文件是如何被执行的？

执行 ELF 文件的时候，会通过装载器把 ELF 文件加载到内存，CPU 去读取内存中的指令和数据，程序就被执行起来了。

Monolithic Kernel

宏内核。Linux 内核架构就是宏内核，意味着 Linux 的内核是一个完整的可执行程序，且拥有最高的权限。宏内核的特征是内核的所有功能，比如进程调度等，都运行在内核态。

Linux 也实现了动态加载内核模块的功能，例如大部分设备驱动是以可加载模块的形式存在的，与内核其他模块解藕，让驱动的开发和加载更灵活。

与宏内核对应的是微内核。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，提高了操作系统的稳定性和可靠性。

微内核内核功能少，可移植性高。但是相比宏内核的缺点是，由于驱动程序不在内核中，而驱动程序一般会频繁调用底层，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。