Linux內(nèi)核的工作原理

★★★★★【文章導(dǎo)讀】：Linux內(nèi)核的工作原理具體內(nèi)容是：牛津字典中對"kernel"一詞的定義是："較軟的、通常是一個(gè)堅(jiān)果可食用的部分。"當(dāng)然還有第二種定義："某個(gè)東西核心或者重要的部分。"對linux來說，它的kernel無疑屬于第二種解釋。讓我們來看看這個(gè)重要的東西是如何工…

來源：日期：2013-11-27 21:58:34 人氣：標(biāo)簽：

牛津字典中對"kernel"一詞的定義是："較軟的、通常是一個(gè)堅(jiān)果可食用的部分。"當(dāng)然還有第二種定義："某個(gè)東西核心或者重要的部分。"對linux來說，它的kernel無疑屬于第二種解釋。讓我們來看看這個(gè)重要的東西是如何工作的，先從一點(diǎn)理論說起。

廣義地來說kernel就是一個(gè)軟件，它在硬件和運(yùn)行在計(jì)算機(jī)(電腦)上的應(yīng)用程序之間提供了一個(gè)層。嚴(yán)格點(diǎn)從計(jì)算機(jī)(電腦)科學(xué)的角度來說，linux中的kernel指的是linus torvalds在90年代初期寫的那點(diǎn)代碼。

所有的你在linux各版本中看到的其他東西--bash shell、kde窗口管理器、web瀏覽器、x服務(wù)器、tux racer以及所有的其他，都不過是運(yùn)行在linux上的應(yīng)用而已，而不是操作系統(tǒng)自身的一部分。為了給大家一個(gè)更加直觀的感覺，我來舉個(gè)例子，比如rhel5的安裝大概要占據(jù)2.5gb的硬盤（硬碟hdd存儲媒介之一）空間（具體多大當(dāng)然視你的選擇安裝來定），在這其中，kernel以及它的各個(gè)模塊組件，只有47mb，所占比例約為2%。

那么kernel到底是如何工作的呢?如下面的圖表。kernel通過許多的進(jìn)入端口也就是我們從技術(shù)角度所說的系統(tǒng)調(diào)用，來使得運(yùn)行在它上面的應(yīng)用程序可用。kernel使用的系統(tǒng)調(diào)用比如"讀"和"寫"來提供你硬件的抽象（abstraction）。

從程序員的視角來看，這些看起來只是普通的功能調(diào)用，然而實(shí)際上系統(tǒng)調(diào)用在處理器的操作模式上，從用戶空間到kernel空間有一個(gè)明顯的切換。同時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用提供了一個(gè)"linux虛擬機(jī)"，可以被認(rèn)為是對硬件的抽象。

kernel提供的更明顯的抽象之一是文件系統(tǒng)。舉例來說，這里有一段短的程序是用c寫的，它打開了一個(gè)文件并將內(nèi)容拷貝到標(biāo)準(zhǔn)的輸出：

#include <fcntl.h>
int main()
{
int fd, count; char buf[1000];
fd=open("mydata", o_rdonly);
count = read(fd, buf, 1000);
write(1, buf, count);
close(fd);
}

在這里，你可以看到四個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的例子：打開、讀、寫和關(guān)閉。不談這段程序語法的細(xì)節(jié)，重點(diǎn)是：通過這些系統(tǒng)調(diào)用linux kernel提供了一個(gè)文件的"錯(cuò)覺"，而實(shí)際上它不過是一堆數(shù)據(jù)有了個(gè)名字，這樣一來你就不必去與硬件底層的堆棧、分區(qū)、頭和指針、分區(qū)等交涉了，而是直接以例子中的方式與硬件"交流"，這也就是我們所說的抽象（abstraction），將底層的東西以更易懂的方式表達(dá)出來。

系統(tǒng)文件是kernel提供的較為明顯的一種抽象。還有一些特性不是這么的明顯，比如進(jìn)程調(diào)度。任何一個(gè)時(shí)間，都可能有好幾個(gè)進(jìn)程或者程序等待著運(yùn)行。kernel的時(shí)間調(diào)度給每個(gè)進(jìn)程分配cpu時(shí)間，所以就一段時(shí)間內(nèi)來說，我們會有種錯(cuò)覺：電腦(計(jì)算機(jī)(電腦))同一時(shí)間運(yùn)行好幾個(gè)程序。這是另外一個(gè)c程序：

#include <stdlib.h>
main()
{
if (fork()) {
write(1, "parent\n", 7);
wait(0);
exit(0);
}
else {
write(1, "child\n", 6);
exit(0);
}
}

在這個(gè)程序中創(chuàng)建了一個(gè)新進(jìn)程，而原來的進(jìn)程（父進(jìn)程）和新進(jìn)程（子進(jìn)程）都編寫了標(biāo)準(zhǔn)輸出然后結(jié)束。注意系統(tǒng)調(diào)用fork(), exit() 以及 wait()執(zhí)行程序的創(chuàng)建、結(jié)束和各自同步。這是進(jìn)程管理和調(diào)度中典型的簡單調(diào)用。

kernel還有一個(gè)更加不易見到的功能，連程序員都不易察覺，那就是存儲管理。每個(gè)程序運(yùn)行得都好像它有個(gè)自己的地址空間來調(diào)用一樣，實(shí)際上它跟其他進(jìn)程一樣共享計(jì)算機(jī)(電腦)的物理存儲，如果系統(tǒng)運(yùn)行的存儲過低，它的地址空間甚至?xí)淮疟P的交互區(qū)暫時(shí)寄用。存儲管理的另外一個(gè)方面是防止一個(gè)進(jìn)程訪問其他進(jìn)程的地址空間--對于多進(jìn)程操作系統(tǒng)來說這是很必要的一個(gè)防范措施。

kernel同樣還配置網(wǎng)絡(luò)鏈接協(xié)議比如ip、tcp和udp等，它們在網(wǎng)絡(luò)上提供機(jī)器對機(jī)器（machine-to-machine）和進(jìn)程對進(jìn)程（process-to-process）的通信。這里又會造成一種假象，即tcp在兩個(gè)進(jìn)程之間提供了一個(gè)固定連接--就好像連接兩個(gè)電話的銅線一樣，實(shí)際中卻并沒有固定的連接，特殊的引用協(xié)議比如ftp、dns和http是通過用戶級程序來實(shí)施的，而并非kernel的一部分。

linux（像之前的unix）在安全方面口碑很好，這是因?yàn)閗ernel跟蹤記錄了每個(gè)運(yùn)行進(jìn)程的user id和group id，每次當(dāng)一個(gè)應(yīng)用企圖訪問資源（比如打開一個(gè)文件來寫入）的時(shí)候，kernel就會核對文件上的訪問許可然后做出允許/禁止的命令。這種訪問控制模式終對整個(gè)linux系統(tǒng)的安全作用很大。

kernel還提供了一大套模塊的集合，其功能包括如何處理與硬件設(shè)備交流的諸多細(xì)節(jié)、如何從磁盤讀取一個(gè)分區(qū)、如果從網(wǎng)絡(luò)接口卡獲取數(shù)據(jù)包等。有時(shí)我們稱這些為設(shè)備驅(qū)動。

模塊化的kernel

現(xiàn)在我們隊(duì)kernel是做什么的已經(jīng)有了一些了解，讓我們再來簡單看下它的物理組成。早期版本的linux kernel是整體式的，也就是說所有的部件都靜態(tài)地連接成一個(gè)（很大的）執(zhí)行文件。

相比較而言，現(xiàn)在的linux kernel是模塊化的：許多功能包含在模塊內(nèi)，然后動態(tài)地載入kernel中。這使得kernel的內(nèi)核很小，而且在運(yùn)行kernel時(shí)可以不必reboot就能載入和替代模塊。

kernel的內(nèi)核在boot time時(shí)從位于/boot 目錄的一個(gè)文件加載進(jìn)存儲中，通常這個(gè)/boot 目錄會被叫做kernelversion，kernelversion與kernel版本有關(guān)。（如果你想知道你的kernel版本是什么，運(yùn)行命令行顯示系統(tǒng)信息-r。）kernel的模塊位于目錄/lib/modules/kernelversion之下，所有的組件都會在kernel安裝時(shí)被拷貝。

管理模塊

大部分情況下，linux管理它的模塊不需要你的幫忙，但是如果必要的時(shí)候有命令行可以來手動檢查和管理模塊。比如，為了查清楚當(dāng)前到底哪個(gè)模塊在載入kernel。這里有一個(gè)輸出的例子：

# lsmod
pcspkr 4224 0
hci_usb 18204 2
psmouse 38920 0
bluetooth 55908 7 rfcomm,l2cap,hci_usb
yenta_socket 27532 5
rsrc_nonstatic 14080 1 yenta_socket
isofs 36284 0

輸出的內(nèi)容包括：模塊的名字、大小、使用次數(shù)和依賴于它的模塊列表。使用次數(shù)對防止卸載當(dāng)前活躍的模塊非常總要。linux只允許使用次數(shù)為零的模塊被移除。

你可以使用modprobe來手動加載和卸載模塊，（還有兩個(gè)命令行叫做insmod和rmmod，但modprobe更易于使用因?yàn)樗詣右瞥四K依賴）。比如lsmod的輸出在我們的電腦(計(jì)算機(jī)(電腦))上顯示了一個(gè)名叫isofs的卸載模塊，它的使用次數(shù)是零而且沒有依賴模塊，（isofs是一個(gè)模塊，它支持cd上使用的iso系統(tǒng)文件格式）這種情況下，kernel會允許我們卸載模塊：

# modprobe -r isofs

現(xiàn)在，isofs不再顯示在ismod的輸出中，kernel由此節(jié)省了36,284字節(jié)的存儲。如果你放入cd并且讓它自動安裝，kernel將自動重新載入isofs模塊，而且isofs的使用次數(shù)增加到1次。如果這時(shí)候你還試圖移除模塊，就不會成功了因?yàn)樗诒皇褂茫?br />
# modprobe -r isofs
fatal: module isofs is in use.

lsmod只是列出了當(dāng)前被載入的模塊，modprobe則將列出所有可用的模塊，它實(shí)際上輸出了/lib/modules/kernelversion目錄下所有的模塊，名單會很長！

實(shí)際上，使用modprobe來手動加載一個(gè)模塊并不常見，但確實(shí)可以通過modprobe命令行來對模塊設(shè)置參數(shù)，例如：

# modprobe usbcore blinkenlights=1

我們并不是在創(chuàng)建blinkenlights，而是usbcore模塊的實(shí)參數(shù)。

那么如何知道一個(gè)模塊會接受什么參數(shù)呢？一個(gè)比較好的方法是使用modinfo命令，它列出了關(guān)于模塊的種種信息。這里有一個(gè)關(guān)于模塊snd-hda-intel的例子

# modinfo snd-hda-intel
filename: /lib/modules/2.6.20-16-generic/kernel/sound/pci/hda/snd-hda-intel.ko
description: intel hda driver
license: gpl
srcversion: a3552b2df3a932d88ffc00c
alias: pci:v000010ded0000055dsv*sd*bc*sc*i*
alias: pci:v000010ded0000055csv*sd*bc*sc*i*
depends: snd-pcm,snd-page-alloc,snd-hda-codec,snd
vermagic: 2.6.20-16-generic smp mod_unload 586
parm: index:index value for intel hd audio interface. (int)
parm: id:id string for intel hd audio interface. (charp)
parm: model:use the given board model. (charp)
parm: position_fix:fix dma pointer (0 = auto, 1 = none, 2 = posbuf, 3 = fifo size). (int)
parm: probe_mask:bitmask to probe codecs (default = -1). (int)
parm: single_cmd:use single command to communicate with codecs (for debugging only). (bool)
parm: enable_msi:enable message signaled interrupt (msi) (int)
parm: enable:bool

對我們來說比較有興趣的以"parm"開頭的那些部分：顯示了模塊所接受的參數(shù)。這些描述都比較簡明，如果想要更多的信息，那就安裝kernel的源代碼，在類似于/usr/src/kernelversion/documentation的目錄下你會找到。

里面會有一些有趣的東西，比如文件/usr/src/kernelversion/documentation/sound/alsa/alsa-configuration.txt描述的是被許多alsa聲音模塊承認(rèn)的參數(shù)；/usr/src/kernelversion/documentation/kernel-parameters.txt這個(gè)文件也很有用。

前幾天在ubuntu論壇有一個(gè)例子，說的是如何將參數(shù)傳遞到一個(gè)模塊（詳見https://help.ubuntu.com/community/hdaintelsoundhowto）。實(shí)際上問題的關(guān)鍵是snd-hda-intel參數(shù)在正確驅(qū)動聲音硬件時(shí)需要一點(diǎn)操作，而且在boot time加載時(shí)會中止。解決方法的一部分是將probe_mask=1選項(xiàng)賦給模塊，如果你是手動加載模塊，你需要輸入：

# modprobe snd-hda-intel probe_mask=1

更有可能，你在文件/etc/modprobe.conf中放置這樣類似的一行：options snd-hda-intel probe_mask=1

這"告訴"modprobe每次在加載snd-hda-intel模塊時(shí)包含probe_mask=1選項(xiàng)。現(xiàn)在的有些linux版本將這一信息分離進(jìn)/etc/modprobe.d下的不同文件中了，而不是放入modprobe.conf中。

/proc系統(tǒng)文件

linux kernel同樣通過/proc系統(tǒng)文件來展示了許多細(xì)節(jié)。為了說明/proc，我們首先需要擴(kuò)展我們對于文件的理解。除了認(rèn)為文件就是存儲在硬盤（硬碟hdd存儲媒介之一）或者cd或者存儲空間上的持久信息之外，我們還應(yīng)當(dāng)把它理解為任何可以通過傳統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用如：打開、讀、寫、關(guān)閉等訪問的信息，當(dāng)然它也可以被常見的程序訪問。

/proc之下的"文件"完全是kernel虛擬的一個(gè)部分，給我們一個(gè)視角可以看到kernel內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，許多l(xiāng)inux的報(bào)告工具均能夠很好地呈現(xiàn)在/proc下的文件中尋到的格式化版本的信息。比如，一列/proc/modules將展示一列當(dāng)前加載的模塊。

同樣的，/proc/meminfo提供了關(guān)于虛擬存儲系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的更多細(xì)節(jié)信息，而類如vmstat的工具則是以一種更加可理解的方式提供了相同的一些信息；/proc/net/arp顯示了系統(tǒng)arp cache的當(dāng)前內(nèi)容，從命令行來說，arp -a顯示的也是相同的信息。

尤其有意思的是/proc/sys下的"文件"。/proc/sys/net/ipv4/ip_forward下的設(shè)置告訴我們kernel是否將轉(zhuǎn)發(fā)ip數(shù)據(jù)包，也就是說是否扮演網(wǎng)關(guān)的作用。現(xiàn)在，kernel告訴我們這是關(guān)閉的：

# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
0

當(dāng)你發(fā)現(xiàn)你可以對這些文件寫入的時(shí)候，你會覺得更加有意思。繼續(xù)舉例來說：

# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

將在運(yùn)行的kernel中打開ip 轉(zhuǎn)發(fā)（ip forwarding）

除了使用cat和echo來檢查和更正/proc/sys下的設(shè)置以外，你也可以使用sysctl命令：

# sysctl net.ipv4.ip_forward
net.ipv4.ip_forward = 0

這等同于：
# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
0

也等同于：
# sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
net.ipv4.ip_forward = 1

還等同于：
# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

需要注意的是，以這種方式你所做的設(shè)置改變只能影響當(dāng)前運(yùn)行的kernel的，當(dāng)reboot的時(shí)候就不再有效。如果想讓設(shè)置永久有效，將它們放置在/etc/sysctl.conf文件中。在boot time時(shí)，sysctl將自動重新確定它在此文件下找到的任何設(shè)置。

/etc/sysctl.conf下的代碼行大概是這樣的：net.ipv4.ip_forward=1

性能調(diào)優(yōu)（performance tuning）

有這樣一個(gè)說法：/proc/sys下可寫入的參數(shù)孕育了整個(gè)linux性能調(diào)優(yōu)的亞文化。我個(gè)人覺得這種說法有點(diǎn)過夸，但這里會有幾個(gè)你確實(shí)很想一試的例子：oracle 10g的安裝說明（www.oracle.com/technology/obe/obe10gdb/install/linuxpreinst/linuxpreinst.htm）要求你設(shè)置一組參數(shù)，包括：kernel.shmmax=2147483648 這將公用存儲器的大小設(shè)置為2gb。（公用存儲器是處理期內(nèi)的通信機(jī)制，允許存儲單元在多個(gè)進(jìn)程的地址空間內(nèi)同時(shí)可用）

ibm 'redpaper'在linux性能和調(diào)優(yōu)方面的說明（www.redbooks.ibm.com/abstracts/redp4285.html）在調(diào)教/proc/sys下的參數(shù)方面給出了不少建議，包括：vm.swappiness=100 這個(gè)參數(shù)控制著存儲頁如何被交換到磁盤。

一些參數(shù)可以被設(shè)置從而提高安全性，如net.ipv4.icmp_echo_ignore_broadcasts=1 它"告訴"kernel不必響應(yīng)icmp請求，從而使得你的網(wǎng)絡(luò)免受類如smurf攻擊之類的拒絕服務(wù)器(server網(wǎng)絡(luò)資源下載)（denial-of-service）型攻擊。
net.ipv4.conf.all.rp_filter=1 則是"告訴"kernel加強(qiáng)入站過濾（ingress filtering）和出站過濾（egress filtering）
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