深度介紹Linux內(nèi)核是如何工作的

時間：2014-02-13 16:59:14

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[導讀] 本文發(fā)表于Linux Format magazine雜志，作者從技術深度上解釋了Linux Kernel是如何工作的。相信對Linux開發(fā)者來說有不小的幫助。牛津字典中對"kernel"一詞的定義是："較軟

本文發(fā)表于Linux Format magazine雜志，作者從技術深度上解釋了Linux Kernel是如何工作的。相信對Linux開發(fā)者來說有不小的幫助。

牛津字典中對"kernel"一詞的定義是："較軟的、通常是一個堅果可食用的部分。"當然還有第二種定義："某個東西核心或者最重要的部分。"對Linux來說，它的Kernel無疑屬于第二種解釋。讓我們來看看這個重要的東西是如何工作的，先從一點理論說起。

廣義地來說kernel就是一個軟件，它在硬件和運行在計算機上的應用程序之間提供了一個層。嚴格點從計算機科學的角度來說，Linux中的Kernel指的是Linus Torvalds在90年代初期寫的那點代碼。

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服務器、Tux Racer以及所有的其他，都不過是運行在Linux上的應用而已，而不是操作系統(tǒng)自身的一部分。為了給大家一個更加直觀的感覺，我來舉個例子，比如RHEL5的安裝大概要占據(jù)2.5GB的硬盤空間(具體多大當然視你的選擇安裝來定)，在這其中，kernel以及它的各個模塊組件，只有47MB，所占比例約為2%。

在kernel內(nèi)部

那么kernel到底是如何工作的呢?如下面的圖表。Kernel通過許多的進入端口也就是我們從技術角度所說的系統(tǒng)調(diào)用，來使得運行在它上面的應用程序可用。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空間有一個明顯的切換。同時，系統(tǒng)調(diào)用提供了一個"Linux虛擬機"，可以被認為是對硬件的抽象。

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，它打開了一個文件并將內(nèi)容拷貝到標準的輸出：

#include

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，你可以看到四個系統(tǒng)調(diào)用的例子：打開、讀、寫和關閉。不談這段程序語法的細節(jié)，重點是：通過這些系統(tǒng)調(diào)用Linux Kernel提供了一個文件的"錯覺"，而實際上它不過是一堆數(shù)據(jù)有了個名字，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出來。

臺前幕后

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，比如進程調(diào)度。任何一個時間，都可能有好幾個進程或者程序等待著運行。Kernel的時間調(diào)度給每個進程分配CPU時間，所以就一段時間內(nèi)來說，我們會有種錯覺：電腦同一時間運行好幾個程序。這是另外一個C程序：

#include

main()

{

if (fork()) {

write(1, "Parentn", 7);

wait(0);

exit(0);

}

else {

write(1, "Childn", 6);

exit(0);

}

在這個程序中創(chuàng)建了一個新進程，而原來的進程(父進程)和新進程(子進程)都編寫了標準輸出然后結束。注意系統(tǒng)調(diào)用fork(), exit() 以及 wait()執(zhí)行程序的創(chuàng)建、結束和各自同步。這是進程管理和調(diào)度中最典型的簡單調(diào)用。

Kernel還有一個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。每個程序運行得都好像它有個自己的地址空間來調(diào)用一樣，實際上它跟其他進程一樣共享計算機的物理存儲，如果系統(tǒng)運行的存儲過低，它的地址空間甚至會被磁盤的交互區(qū)暫時寄用。存儲管理的另外一個方面是防止一個進程訪問其他進程的地址空間--對于多進程操作系統(tǒng)來說這是很必要的一個防范措施。

Kernel同樣還配置網(wǎng)絡鏈接協(xié)議比如IP、TCP和UDP等，它們在網(wǎng)絡上提供機器對機器(machine-to-machine)和進程對進程(process-to-process)的通信。這里又會造成一種假象，即TCP在兩個進程之間提供了一個固定連接--就好像連接兩個電話的銅線一樣，實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，這是因為Kernel跟蹤記錄了每個運行進程的user ID和group ID，每次當一個應用企圖訪問資源(比如打開一個文件來寫入)的時候，Kernel就會核對文件上的訪問許可然后做出允許/禁止的命令。這種訪問控制模式最終對整個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備交流的諸多細節(jié)、如何從磁盤讀取一個分區(qū)、如果從網(wǎng)絡接口卡獲取數(shù)據(jù)包等。有時我們稱這些為設備驅動。

模塊化的Kernel

現(xiàn)在我們隊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(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，而且在運行kernel時可以不必reboot就能載入和替代模塊。

Kernel的內(nèi)核在boot time時從位于/boot 目錄的一個文件加載進存儲中，通常這個/boot 目錄會被叫做KERNELVERSION，KERNELVERSION與kernel版本有關。(如果你想知道你的kernel版本是什么，運行命令行顯示系統(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，為了查清楚當前到底哪個模塊在載入kernel。這里有一個輸出的例子：[!--empirenews.page--]

# 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)對防止卸載當前活躍的模塊非?？傄?。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，(還有兩個命令行叫做insmod和rmmod，但modprobe更易于使用因為它自動移除了模塊依賴)。比如lsmod的輸出在我們的電腦上顯示了一個名叫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。如果這時候你還試圖移除模塊，就不會成功了因為它正在被使用：

# modprobe -r isofs

FATAL: Module isofs is in use.

Lsmod只是列出了當前被載入的模塊，modprobe則將列出所有可用的模塊，它實際上輸出了/lib/modules/KERNELVERSION目錄下所有的模塊，名單會很長!

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

# modprobe usbcore blinkenlights=1

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

那么如何知道一個模塊會接受什么參數(shù)呢?一個比較好的方法是使用modinfo命令，它列出了關于模塊的種種信息。這里有一個關于模塊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聲音模塊承認的參數(shù);/usr/src/KERNELVERSION/Documentation/kernel-parameters.txt這個文件也很有用。

前幾天在Ubuntu論壇有一個例子，說的是如何將參數(shù)傳遞到一個模塊(詳見https://help.ubuntu.com/community/HdaIntelSoundHowto)。實際上問題的關鍵是snd-hda-intel參數(shù)在正確驅動聲音硬件時需要一點操作，而且在boot time加載時會中止。解決方法的一部分是將probe_mask=1選項賦給模塊，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模塊時包含probe_mask=1選項?，F(xiàn)在的有些Linux版本將這一信息分離進/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節(jié)。為了說明/proc，我們首先需要擴展我們對于文件的理解。除了認為文件就是存儲在硬盤或者CD或者存儲空間上的持久信息之外，我們還應當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、關閉等訪問的信息，當然它也可以被常見的程序訪問。

/proc之下的"文件"完全是kernel虛擬的一個部分，給我們一個視角可以看到kernel內(nèi)部的數(shù)據(jù)結構。實際上，許多Linux的報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將展示一列當前加載的模塊。

同樣的，/proc/meminfo提供了關于虛擬存儲系統(tǒng)當前狀態(tài)的更多細節(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下的設置告訴我們kernel是否將轉發(fā)IP數(shù)據(jù)包，也就是說是否扮演網(wǎng)關的作用?，F(xiàn)在，kernel告訴我們這是關閉的：

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

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

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

將在運行的kernel中打開IP 轉發(fā)(IP forwarding)

除了使用cat和echo來檢查和更正/proc/sys下的設置以外，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[!--empirenews.page--]

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置改變只能影響當前運行的kernel的，當reboot的時候就不再有效。如果想讓設置永久有效，將它們放置在/etc/sysctl.conf文件中。在boot time時，sysctl將自動重新確定它在此文件下找到的任何設置。

/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)

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

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)可以被設置從而提高安全性，如net.ipv4.icmp_echo_ignore_broadcasts=1 它"告訴"kernel不必響應ICMP請求，從而使得你的網(wǎng)絡免受類如Smurf攻擊之類的拒絕服務器(denial-of-service)型攻擊。

net.ipv4.conf.all.rp_filter=1 則是"告訴"kernel加強入站過濾(ingress filtering)和出站過濾(egress filtering)

那么有沒有一個說明能涵蓋這所有的參數(shù)?好吧，這有一行命令：# sysctl -a 它將展示所有的參數(shù)名字和當前值。列表很長，但是你無法知道這些參數(shù)是做什么的。另外比較有用的參考是Red Hat Enterprise Linux Reference Guide，對此有整章節(jié)的描述，你可以從www.redhat.com/docs/manuals/enterprise上下載。