23 Linux高级篇-Linux内核介绍&内核升级

23 Linux高级篇-Linux内核介绍&内核升级

• 学习视频来自于B站【小白入门 通俗易懂】2021韩顺平 一周学会Linux。
• 可能会用到的资料有如下所示，下载链接见文末：

1. 《鸟哥的Linux私房菜 基础学习篇 第四版》¹
2. 《鸟哥的Linux私房菜 服务器架设篇 第三版》²
3. 《韩顺平_2021图解Linux全面升级》³
4. 《Linux0.01内核源代码及注释》⁴

---

23.1 linux-0.01内核介绍

23.1.1 为什么要阅读Linux内核？

首先给出几个理由：

1. 爱好，就是喜欢linux(黑客精神)，想深入理解linux底层运行机制，对操作系统有深入理解。
2. 找工作面试的需要。作为开发者，不管你从事的是驱动开发，应用开发还是后台开发，你都需要了解操作系统内核的运行机制，这样才能写出更好的代码。作为开发人员不应该只局限在自己的领域，你设计的模块看起来小，但是你不了解进程的调用机制，你不知道进程为什么会阻塞、就绪、执行几个状态。那么很难写出优质的代码。

  老韩忠告，作为有追求的程序员，还是应该深入的了解一个操作系统(比如linux/unix)的底层机制，最好是源码级别的，这样你写多线程高并发程序，包括架构、优化、算法等，思想高度不一样的。当然也不是要求大家把一个非常庞大的Linux内核每一行都读懂，但至少能看几个核心的模块。

23.1.2 下载linux-0.01内核源码

  很多人害怕读Linux内核，Linux内核这样大而复杂的系统代码，阅读起来确实有很多困难，但是也不是想象的那么高不可攀。内核源代码有很多版本，2020年Linux的内核源码就至少有2700w行代码，可读性就非常差，所以建议从linux-0.01入手，总共的代码1w行左右。下面是Linux内核的下载地址：

• 官方内核地址：https://www.kernel.org/ ，一般用来下载最新几个版本的Linux内核。
  
• 微软镜像提供的Linux 0.01版本下载地址(选择“linux-0.01.tar.gz”)。
  

23.1.3 linux-0.01内核介绍

在阅读源码前，需要注意：

1.linux0.01的阅读需要懂c语言。
2.阅读源码前，应知道inux内核源码的整体分布情况。现代的操作系统一般由进程管理、内存管理、文件系统、驱动程序和网络等组成。Linux内核源码的各个目录大致与此相对应。
3.在阅读方法或顺序上，有纵向与横向之分。所谓纵向就是顺着程序的调用顺序逐步进行；所谓横向，就是按模块进行。它们经常结合在一起进行。
4.对于Linux启动的代码可顺着Linux的启动顺序一步步来阅读；对于像内存管理部分，可以单独拿出来进行阅读分析。实际上这是一个反复的过程，不可能读一遍就理解。

注：Linux0.01大概是1991年左右写的，那时候网络不发达，驱动程序也几乎没有，所以Linux0.01相对来说还是比较简单的。

1. 源码目录介绍
linux内核源码阅读&目录介绍&main.c说明

  按照上一小节的方法下载linux-0.01源码后，打开目录查看，如下图所示：

图23-1 linux-0.01源码文件夹

下面这些目录/文件的含义(chatgpt)：

• boot：包含了引导加载程序的代码，用于启动内核。这里的代码负责在系统引导时加载内核到内存中并启动它。
• fs：这个目录包含了文件系统(file system)相关的代码。linux-0.01 内核支持一些基本的文件系统操作，但功能相对有限。
• include：包含了一些头文件，这些头文件定义了内核中使用的常量、数据结构、函数原型等。这些头文件在整个内核代码中被广泛引用。
• init：包含了内核的初始化代码，涉及系统的启动和初始化过程。包含核心的初始化代码main.c。
• kernel：这是内核的主要代码目录，包含了实现操作系统核心功能的代码，例如进程调度、系统调用、中断处理等。
• lib：这个目录包含了一些通用的函数库和工具函数，用于辅助内核的开发。
• mm：这个目录包含了内存管理(memory manager)相关的代码。内存管理是操作系统的一个关键部分，它负责管理系统的内存资源，包括分配、释放和保护内存区域。
• tools：这个目录包含了一些工具和脚本，用于构建、编译和调试内核。
• Makefile：编译文件，有多个，每个模块都可能对应一个Makefile。

为了方便阅读源码，现在将整个源码文件夹linux-0.01，使用Xftp上传到CentOS的/opt/linuxsrc/目录下，然后就可以很方便的查看，比如下面使用tree指令查看整个目录的所有文件：

# 首先安装一下tree
[root@CentOS76 ~]# cd /opt/linuxsrc
[root@CentOS76 linuxsrc]# tree linux-0.01/
bash: tree: 未找到命令...
[root@CentOS76 linuxsrc]# sudo yum install tree
已加载插件：fastestmirror, langpacks
Loading mirror speeds from cached hostfile
# 安装过程略，遇到什么选项输入y同意就行
已安装:
  tree.x86_64 0:1.6.0-10.el7                                                                           

完毕！

# 查看源码文件夹的目录树
[root@CentOS76 linuxsrc]# tree linux-0.01/
linux-0.01/
├── boot
│   ├── boot.s
│   └── head.s
├── fs
│   ├── bitmap.c
│   ├── block_dev.c
│   ├── buffer.c
│   ├── char_dev.c
│   ├── exec.c
│   ├── fcntl.c
│   ├── file_dev.c
│   ├── file_table.c
│   ├── inode.c
│   ├── ioctl.c
│   ├── Makefile
│   ├── namei.c
│   ├── open.c
│   ├── pipe.c
│   ├── read_write.c
│   ├── stat.c
│   ├── super.c
│   ├── truncate.c
│   └── tty_ioctl.c
├── include
│   ├── a.out.h
│   ├── asm
│   │   ├── io.h
│   │   ├── memory.h
│   │   ├── segment.h
│   │   └── system.h
│   ├── const.h
│   ├── ctype.h
│   ├── errno.h
│   ├── fcntl.h
│   ├── linux
│   │   ├── config.h
│   │   ├── fs.h
│   │   ├── hdreg.h
│   │   ├── head.h
│   │   ├── kernel.h
│   │   ├── mm.h
│   │   ├── sched.h
│   │   ├── sys.h
│   │   └── tty.h
│   ├── signal.h
│   ├── stdarg.h
│   ├── stddef.h
│   ├── string.h
│   ├── sys
│   │   ├── stat.h
│   │   ├── times.h
│   │   ├── types.h
│   │   ├── utsname.h
│   │   └── wait.h
│   ├── termios.h
│   ├── time.h
│   ├── unistd.h
│   └── utime.h
├── init
│   └── main.c
├── kernel
│   ├── asm.s
│   ├── console.c
│   ├── exit.c
│   ├── fork.c
│   ├── hd.c
│   ├── keyboard.s
│   ├── Makefile
│   ├── mktime.c
│   ├── panic.c
│   ├── printk.c
│   ├── rs_io.s
│   ├── sched.c
│   ├── serial.c
│   ├── sys.c
│   ├── system_call.s
│   ├── traps.c
│   ├── tty_io.c
│   └── vsprintf.c
├── lib
│   ├── close.c
│   ├── ctype.c
│   ├── dup.c
│   ├── errno.c
│   ├── execve.c
│   ├── _exit.c
│   ├── Makefile
│   ├── open.c
│   ├── setsid.c
│   ├── string.c
│   ├── wait.c
│   └── write.c
├── Makefile
├── mm
│   ├── Makefile
│   ├── memory.c
│   └── page.s
└── tools
    └── build.c

11 directories, 88 files

2. 主函数介绍

  上一小节已经提到源码目录下的init文件夹便包括了内核的主函数main.c。本小小节就来简单介绍一下main.c中的入口函数void main()。首先给出main.c的全部内容(无注释)：

 * calls - which means inline code for fork too, as otherwise we
 * would use the stack upon exit from 'fork()'.
 *
 * Actually only pause and fork are needed inline, so that there
 * won't be any messing with the stack from main(), but we define
 * some others too.
 */
static inline _syscall0(int,fork)
static inline _syscall0(int,pause)
static inline _syscall0(int,setup)
static inline _syscall0(int,sync)

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 

static char printbuf[1024];

extern int vsprintf();
extern void init(void);
extern void hd_init(void);
extern long kernel_mktime(struct tm * tm);
extern long startup_time;

/*
 * Yeah, yeah, it's ugly, but I cannot find how to do this correctly
 * and this seems to work. I anybody has more info on the real-time
 * clock I'd be interested. Most of this was trial and error, and some
 * bios-listing reading. Urghh.
 */

#define CMOS_READ(addr) ({ \
outb_p(0x80|addr,0x70); \
inb_p(0x71); \
})

#define BCD_TO_BIN(val) ((val)=((val)&15) + ((val)>>4)*10)

static void time_init(void)
{
        struct tm time;

        do {
                time.tm_sec = CMOS_READ(0);
                time.tm_min = CMOS_READ(2);
                time.tm_hour = CMOS_READ(4);
                time.tm_mday = CMOS_READ(7);
                time.tm_mon = CMOS_READ(8)-1;
                time.tm_year = CMOS_READ(9);
        } while (time.tm_sec != CMOS_READ(0));
        BCD_TO_BIN(time.tm_sec);
        BCD_TO_BIN(time.tm_min);
        BCD_TO_BIN(time.tm_hour);
        BCD_TO_BIN(time.tm_mday);
        BCD_TO_BIN(time.tm_mon);
        BCD_TO_BIN(time.tm_year);
        startup_time = kernel_mktime(&time);
}

void main(void)         /* This really IS void, no error here. */
{                       /* The startup routine assumes (well, ...) this */
/*
 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
 * enable them
 */
        time_init();
        tty_init();
        trap_init();
        sched_init();
        buffer_init();
        hd_init();
        sti();
        move_to_user_mode();
        if (!fork()) {          /* we count on this going ok */
                init();
        }
/*
 *   NOTE!!   For any other task 'pause()' would mean we have to get a
 * signal to awaken, but task0 is the sole exception (see 'schedule()')
 * as task 0 gets activated at every idle moment (when no other tasks
 * can run). For task0 'pause()' just means we go check if some other
 * task can run, and if not we return here.
 */
        for(;;) pause();
}

static int printf(const char *fmt, ...)
{
        va_list args;
        int i;

        va_start(args, fmt);
        write(1,printbuf,i=vsprintf(printbuf, fmt, args));
        va_end(args);
        return i;
}

static char * argv[] = { "-",NULL };
static char * envp[] = { "HOME=/usr/root", NULL };

void init(void)
{
        int i,j;

        setup();
        if (!fork())
                _exit(execve("/bin/update",NULL,NULL));
        (void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);
        (void) dup(0);
        (void) dup(0);
        printf("%d buffers = %d bytes buffer space\n\r",NR_BUFFERS,
                NR_BUFFERS*BLOCK_SIZE);
        printf(" Ok.\n\r");
        if ((i=fork())<0)
                printf("Fork failed in init\r\n");
        else if (!i) {
                close(0);close(1);close(2);
                setsid();
                (void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);
                (void) dup(0);
                (void) dup(0);
                _exit(execve("/bin/sh",argv,envp));
        }
        j=wait(&i);
        printf("child %d died with code %04x\n",j,i);
        sync();
        _exit(0);       /* NOTE! _exit, not exit() */
}

然后是其中的入口函数(有注释)：

void main(void)         /* This really IS void, no error here. */
{                       /* The startup routine assumes (well, ...) this */
/*
 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
 * enable them
 */
        time_init();            //初始化运行时间
        tty_init();             //初始化tty终端
        trap_init();            //初始化陷阱门(硬件中断向量)
        sched_init();           //初始化调度程序
        buffer_init();          //初始化缓冲管理
        hd_init();              //初始化硬盘
        sti();                  //所有初始化工作完成后，开启中断
        move_to_user_mode();    //进入到相关的用户模式
        if (!fork()) {          /* we count on this going ok */
                init();
        }
/*
 *   NOTE!!   For any other task 'pause()' would mean we have to get a
 * signal to awaken, but task0 is the sole exception (see 'schedule()')
 * as task 0 gets activated at every idle moment (when no other tasks
 * can run). For task0 'pause()' just means we go check if some other
 * task can run, and if not we return here.
 */
        for(;;) pause();
}

大致的介绍就到这里，后续可以自行结合文档《Linux0.01内核源代码及注释.pdf》⁴深入阅读。注意不要求逐行阅读，先看个大概即可，注意要反复地看。

23.3 Linux内核升级

  在最开始介绍Linux系统时便提到，严格来说Linux只是一个内核，只不过在这个内核的基础上添加各种不同的软件和工具，才有了许许多多的Linux发行版，所以Linux内核对于Linux系统来说至关重要。Linux内核不断进行定期更新，包括错误修复、增强高级功能以及许多其他增强功能。虽然没有人会强迫你更新到最新的Linux内核，但以下是进行内核升级的几个理由：

1. 性能提升：新的内核可能会提供更好的性能，包括更快的启动时间、更快的文件系统访问和更快的网络传输速度等。
2. 安全性提升：新的内核通常修复了已知的漏洞和安全问题，提高了系统的安全性和稳定性。
3. 新的硬件支持：新的内核可能支持更多的硬件设备和技术。
4. 新的功能支持：新的内核通常会提供新的功能和改进，例如更好的文件系统支持、更好的虚拟化支持等。

【参考1】CSDN博文“Centos7系统内核如何更换？为什么需要更新内核？”。
【参考2】PHP中文网“您应该更新 Linux 内核的五个理由”。

23.3.1 最新版内核介绍

本小节首先来介绍一下最新版(2023/8/25)的Linux内核目录。首先是下载解压Linux内核：

################## 指令速览 #####################
cd /opt/linuxsrc
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/linux-6.4.11.tar.gz
tar -zxvf linux-6.4.11.tar.gz
# 注：若下载速度太慢，也可以直接在浏览器复制上述网址下载，然后通过Xftp上传到Linux的/opt/linuxsrc目录下


################## 实际演示 #####################
[root@CentOS76 linuxsrc]# cd /opt/linuxsrc
[root@CentOS76 linuxsrc]# wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/linux-6.4.11.tar.gz
--2023-08-25 09:44:47--  https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/linux-6.4.11.tar.gz
正在解析主机 cdn.kernel.org (cdn.kernel.org)... 151.101.109.176, 2a04:4e42:8c::432
正在连接 cdn.kernel.org (cdn.kernel.org)|151.101.109.176|:443... 已连接。
已发出 HTTP 请求，正在等待回应... 200 OK
长度：221659176 (211M) [application/x-gzip]
正在保存至: “linux-6.4.11.tar.gz.1”

12% [======>                                                       ] 27,768,960  7.32MB/s 剩余 
# 剩下的下载页面就不显示了，遇到选项就选择默认即可。
[root@CentOS76 linuxsrc]# tar -zxvf linux-6.4.11.tar.gz
# 解压过程省略，会稍微等一会
linux-6.4.11/virt/lib/
linux-6.4.11/virt/lib/Kconfig
linux-6.4.11/virt/lib/Makefile
linux-6.4.11/virt/lib/irqbypass.c
[root@CentOS76 linuxsrc]# ls
linux-0.01  linux-6.4.11  linux-6.4.11.tar.gz
[root@CentOS76 linuxsrc]# ls linux-6.4.11
arch   COPYING  Documentation  include   ipc      kernel    MAINTAINERS  net     samples   sound  virt
block  CREDITS  drivers        init      Kbuild   lib       Makefile     README  scripts   tools
certs  crypto   fs             io_uring  Kconfig  LICENSES  mm           rust    security  usr

可以看到相比于linux-0.01，linux-6.4.11多出来非常多的内容。下面就来介绍linux-6.4.11源码中各目录的含义：

[root@CentOS76 linuxsrc]# ls linux-6.4.11
arch   COPYING  Documentation  include   ipc      kernel    MAINTAINERS  net     samples   sound  virt
block  CREDITS  drivers        init      Kbuild   lib       Makefile     README  scripts   tools
certs  crypto   fs             io_uring  Kconfig  LICENSES  mm           rust    security  usr

• arch：包含体系结构特定的代码，其中每个子目录代表一个特定的硬件体系结构（例如x86、ARM、PowerPC等）。
• COPYING：可能是一个包含 Linux 内核的版权信息和许可证条款的文件。
• Documentation：包含了内核的文档，其中包括关于内核配置、开发指南、API文档等内容。
• include：包含内核头文件，定义了内核中使用的常量、数据结构和函数原型。
• ipc：包含进程间通信（IPC）相关的代码，支持不同的进程间通信机制。
• kernel：包含核心内核代码，涵盖进程调度、中断处理、系统调用等。
• MAINTAINERS：可能是一个包含维护者列表的文件，列出了负责维护和审核特定代码部分的开发者。
• net：包含网络协议栈的代码，涉及网络协议和网络设备驱动程序。
• samples：包含示例代码的目录，这些示例代码可以用来演示如何使用某些内核功能或特性。
• sound：包含声音子系统的代码，支持音频设备和功能。
• virt：包含虚拟化相关的代码，支持不同的虚拟化平台。
• block：包含块设备层的代码，涉及与块设备（如硬盘）相关的逻辑。
• CREDITS：通常包含了对于内核开发和贡献的致谢名单。
• drivers：这是一个庞大的目录，包含了各种硬件设备的驱动程序，例如网络、存储、显卡等。
• init：包含内核初始化代码，涉及启动过程和系统初始化。但不像linux-0.01的init目录只包含main.c，还因为版本升级而包含很多其他的文件。
• Kbuild：通常是一个用于构建和编译内核的脚本文件，它可能包含了一些构建规则和选项。
• lib：这个目录包含了一些通用的函数库和工具函数，用于辅助内核的开发。
• README：这个文件通常包含了关于内核的基本信息、编译和安装指南等。
• scripts：可能包含一些用于辅助构建、编译和调试内核的脚本文件。
• tools：包含一些工具和脚本，用于构建、分析和调试内核。
• certs：可能是包含用于存储数字证书的目录，这些证书可能用于验证内核模块或其他安全相关操作。
• crypto：包含加密相关的代码，用于支持不同的加密算法和加密操作。
• fs：包含文件系统的代码，支持各种文件系统，如EXT4、FAT、NTFS等。
• io_uring：可能是与 I/O uring 相关的代码，I/O uring 是一种用于高效异步 I/O 操作的机制。
• Kconfig：通常是用于配置内核选项的配置文件，这些选项可以通过配置工具进行设置。
• LICENSES：可能包含不同的软件许可证文件，用于指定内核中包含的代码的许可证。
• mm：包含内存管理相关的代码，用于管理物理内存和虚拟内存。
• rust：可能包含使用 Rust 编程语言编写的内核模块或代码。
• security：包含安全子系统的代码，用于实施访问控制和安全策略。
• usr：包含用户空间的文件，如测试程序和示例文件。

23.3.2 Linux内核升级

  上一小节已经简单介绍了Linux最新版内核的内容，本小节就来介绍如何对当前的Linux发行版进行内核升级。“内核升级”有专门的指令完成，非常简单，唯一需要我们掌握的知识点是内核的兼容性问题。下表给出了不同的CentOS7发行版与Linux内核的对应关系。

图23-2 CentOS7内核版本(来源：维基百科-CentOS)

• 维基百科-CentOS(需要梯子)
• 内核版本与发行版本（CentOS & Ubuntu）的对应关系
• Linux内核及主流Linux发行版对应关系汇总

也就是说，内核升级时不能跨越大版本，比如我们当前的版本是CentOS7.6(3.10.0-957)，那么内核最多升级到同为CentOS7的CentOS7.9(3.10.0-1160)。而不能选择现在的最新版Linux内核linux-6.4.11(2023-8-25)。

当然正如前面所说，实际上我们在进行内核升级时，无需自己挑选Linux内核，有相应的指令可以帮我们迅速匹配并升级：

################## 指令速览 #####################
uname -a            # 查看当前的内核版本
yum info kernel -q  # 检测内核版本，显示可以升级的内核
yum update kernel   # 升级内核
yum list kernel -q  # 查看已经安装的内核


################## 实际演示 #####################
# 1. 查看当前的内核版本
[root@CentOS76 linuxsrc]# uname -a
Linux CentOS76 3.10.0-1160.el7.x86_64 #1 SMP Mon Oct 19 16:18:59 UTC 2020 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

# 2. 检测内核版本，显示可以升级的内核
[root@CentOS76 linuxsrc]# yum info kernel -q
已安装的软件包
名称    ：kernel
架构    ：x86_64
版本    ：3.10.0
发布    ：1160.el7
大小    ：64 M
源    ：installed
来自源：anaconda
简介    ： The Linux kernel
网址    ：http://www.kernel.org/
协议    ： GPLv2
描述    ： The kernel package contains the Linux kernel (vmlinuz), the core of any
         : Linux operating system.  The kernel handles the basic functions
         : of the operating system: memory allocation, process allocation, device
         : input and output, etc.

可安装的软件包
名称    ：kernel
架构    ：x86_64
版本    ：3.10.0
发布    ：1160.95.1.el7
大小    ：52 M
源    ：updates/7/x86_64
简介    ： The Linux kernel
网址    ：http://www.kernel.org/
协议    ： GPLv2
描述    ： The kernel package contains the Linux kernel (vmlinuz), the core of any
         : Linux operating system.  The kernel handles the basic functions
         : of the operating system: memory allocation, process allocation, device
         : input and output, etc.


# 3. 升级内核
[root@CentOS76 linuxsrc]# yum update kernel
已加载插件：fastestmirror, langpacks
Loading mirror speeds from cached hostfile
 * base: mirrors.ustc.edu.cn
 * extras: mirrors.ustc.edu.cn
 * updates: mirrors.ustc.edu.cn
正在解决依赖关系
--> 正在检查事务
---> 软件包 kernel.x86_64.0.3.10.0-1160.95.1.el7 将被 安装
--> 解决依赖关系完成

依赖关系解决

=======================================================================================================
 Package             架构                版本                               源                    大小
=======================================================================================================
正在安装:
 kernel              x86_64              3.10.0-1160.95.1.el7               updates               52 M

事务概要
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安装  1 软件包

总计：52 M
安装大小：66 M
Is this ok [y/d/N]: y
Downloading packages:
Running transaction check
Running transaction test
Transaction test succeeded
Running transaction
  正在安装    : kernel-3.10.0-1160.95.1.el7.x86_64                                                 1/1 
  验证中      : kernel-3.10.0-1160.95.1.el7.x86_64                                                 1/1 

已安装:
  kernel.x86_64 0:3.10.0-1160.95.1.el7                                                                 

完毕！

# 4. 查看已经安装的内核
[root@CentOS76 linuxsrc]# yum list kernel -q
已安装的软件包
kernel.x86_64                              3.10.0-1160.el7                                    @anaconda
kernel.x86_64                              3.10.0-1160.95.1.el7                               @updates 

# 5. 查看当前的内核版本
[root@CentOS76 linuxsrc]# uname -a
Linux CentOS76 3.10.0-1160.el7.x86_64 #1 SMP Mon Oct 19 16:18:59 UTC 2020 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
# 注意到显示的内核还是升级前的内核，只是下次重启时会选择进入哪个内核

升级内核完成后重启。重启后的页面如下图所示，现在选择哪个，系统都可以正常使用，原来的用户、安装的软件都在，内核升级后完全兼容以前版本的所有功能。

图23-3 内核升级后重启

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1. 《鸟哥的Linux私房菜 基础学习篇 第四版》 ↩︎

2. 《鸟哥的Linux私房菜 服务器架设篇 第三版》 ↩︎

3. 《韩顺平_2021图解Linux全面升级》 ↩︎

4. 《Linux0.01内核源代码及注释》 ↩︎ ↩︎