一文详解Linux内核基本概念

[导读]Linux内核是一个操作系统(OS)内核，本质上定义为类Unix。它用于不同的操作系统，主要是以不同的Linux发行版的形式。Linux内核是第一个真正完整且突出的免费和开源软件示例。Linux 内核是第一个真正完整且突出的免费和开源软件示例，促使其广泛采用并得到了数千名开发人员的贡献。

Linux内核是一个操作系统(OS)内核，本质上定义为类Unix。它用于不同的操作系统，主要是以不同的Linux发行版的形式。Linux内核是第一个真正完整且突出的免费和开源软件示例。Linux 内核是第一个真正完整且突出的免费和开源软件示例，促使其广泛采用并得到了数千名开发人员的贡献。

Linux内核‌是操作系统的核心组件，作为开源软件由Linus Torvalds于1991年创建，负责管理硬件资源并为应用程序提供基础服务。

‌Linux内核的定义与起源‌

Linux内核是计算机操作系统最底层的核心程序，采用C语言编写并遵循POSIX标准，具备类Unix特性。它由芬兰程序员Linus Torvalds在1991年首次发布，并依托全球开发者社区协作维护，成为开源软件领域的典范。‌‌

‌核心功能特性‌

Linux内核通过以下机制实现硬件与软件的协同工作：

‌进程管理‌：采用层次化进程结构，通过调度算法分配CPU时间片，支持多任务并发执行。‌‌‌

‌内存管理‌：提供虚拟内存机制，实现进程间内存隔离与共享，优化物理内存使用效率。‌‌

‌设备驱动‌：抽象硬件操作细节，支持超过80%的常见硬件设备的即插即用。‌‌

‌文件系统‌：基于虚拟文件系统(VFS)架构，兼容ext4、XFS等数十种文件格式。‌‌

‌网络协议栈‌：内置TCP/IP协议族，支撑互联网通信基础功能。‌‌

Linux 内核(英语：Linux kernel)，是 Linux 操作系统的内核，以 C 语言写成，符合 POSIX 标准，以 GNU 通用公共许可证发布。Linux 最早是由芬兰黑客林纳斯·托瓦兹为尝试在英特尔 x86 架构上提供自由免费的类 Unix 系统而开发的。该计划开始于 1991 年，林纳斯·托瓦兹当时在 Usenet 新闻组 comp.os.minix 登载帖子，这份著名的帖子标示着 Linux 计划的正式开始。

在计划的早期有一些 Minix 黑客提供了协助，而今天全球无数程序员正在为该计划无偿提供帮助。

技术上说 Linux 是一个内核。“内核”指的是一个提供硬件抽象层、磁盘及文件系统控制、多任务等功能的系统软件。一个内核不是一套完整的操作系统。一套基于 Linux 内核的完整操作系统叫作 Linux 操作系统，或是 GNU/Linux。

Linux 内核是在 GNU 通用公共许可证第 2 版之下发布的(加上一些非自由固件、blob 与各种非自由许可证)。

贡献者遍布世界各地，日常开发在 Linux 内核邮件列表。

源代码

一般情况下 Linux 内核源代码位于 /usr/src/linux 目录下。

/include子目录包含了建立内核代码时所需的大部分包含文件，这个模块利用其他模块重建内核。/init 子目录包含了内核的初始化代码，这是内核工作的开始的起点。/arch 子目录包含了所有硬件结构特定的内核代码。如：i386，alpha/drivers 子目录包含了内核中所有的设备驱动程序，如块设备和SCSI设备。/fs 子目录包含了所有的文件系统的代码。如:ext2,vfat等。/net 子目录包含了内核的连网代码。/mm 子目录包含了所有内存管理代码。/ipc 子目录包含了进程间通信代码。/kernel 子目录包含了主内核代码。内核程序

编译完成新内核后，会生成几个文件，这些文件是内核启动所需要的，这里简单介绍一下。

vmlinux，编译出来的最原始的内核文件，没有压缩，位于源码根目录下。该内核文件不能用来启动系统。

vmlinuz，这个就是我们要引导的内核，它一般是一个链接文件，位于根目录下。真正的文件位于/boot 文件夹下。z 表示压缩的内核，vm 表示 virtual memory 的意思。linux 支持虚拟内存，可利用硬盘空间作为虚拟内存使用。在编译内核时，通过 make zImage 或 make bzImage 生成 zImage 或 bzImage 原始压缩内核文件，这些内核文件位于 /usr/src/linux-2.6.23.9/arch/i386/boot 目录下;接着我们会把它拷贝到 /boot 目录下并改名为 vmlinuz;最后在根目录下创建一个到该文件的同名链接文件。bzImage 表示 big zImage 的意思，zImage 是老式的内核文件格式，在新的内核版本中已不使用了，现在生成的内核是 bzImage 格式的内核文件。这两种内核文件的区别是，zImage 解压缩内核到低端内存中(第一个640K)，bzImage 解压缩内核到高端内存中(1M以上)

这两个内核文件都是使用 gzip 软件压缩的，但文件头部内嵌有 gzip 解压缩代码，能在启动时自动解压缩内核。使用 gzip 是不能正常解压内核的。

在源码根目录生成的 vmlinux 是一个没有压缩的内核文件。

如果在 /boot 目录下存在多个版本的内核文件，则可用 vmlinuz-xxxx 的方式命名。但根目录下的 vmlinuz 链接文件名一般不变。

initrd-x.x.x.img，initrd 是"initial ramdisk"的简写。作用是在内核引导前加载相应的硬件模块，为内核引导做准备。比如，使用的是 scsi 硬盘，而内核 vmlinuz 中并没有这个 scsi 硬件的驱动，那么在装入 scsi 模块之前，内核不能加载根文件系统，但 scsi 模块存储在根文件系统的/lib/modules 下。为了解决这个问题，可以引导一个能够读实际内核的 initrd 内核并用 initrd 修正 scsi 引导问题。initrd 可使用 mkinitrd 工具创建。

System.map，内核符号映射文件，位于/boot 目录下，与内核名要对应。内核编译完成后，在源码根目录下就会生成一个 System.map 文件。我们要把它拷贝到/boot 目录下并改成相关的名称。如内核名为 vmlinuz-2.6.23.9，则这个内核符号映射文件就应该命名为 System.map-2.6.23.9。

运行空间

Linux 系统由用户空间和内核空间两部分组成。

内核空间与用户空间是程序执行的两种不同状态，通过系统调用和硬件中断能够完成从用户空间到内核空间的转移。

用户空间分为：

User Applications(用户应用程序)GNU C Library (glibc 即 c 运行库)内核空间分为：

System Call Interface(系统调用接口)Kernel(内核)Architecture Dependent Kernel Code(架构体系内核代码)子系统

Linux内核主要由五个子系统组成：进程调度，内存管理，虚拟文件系统，网络接口，进程间通信。

进程调度(SCHED):控制进程对CPU的访问。当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选择最值得运行的进程。可运行进程实际上是仅等待CPU资源的进程，如果某个进程在等待其它资源，则该进程是不可运行进程。Linux使用了比较简单的基于优先级的进程调度算法选择新的进程。

内存管理(MM):允许多个进程安全的共享主内存区域。Linux 的内存管理支持虚拟内存，即在计算机中运行的程序，其代码，数据，堆栈的总量可以超过实际内存的大小，操作系统只是把当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则保留在磁盘中。必要时，操作系统负责在磁盘和内存间交换程序块。内存管理从逻辑上分为硬件无关部分和硬件有关部分。硬件无关部分提供了进程的映射和逻辑内存的对换;硬件相关的部分为内存管理硬件提供了虚拟接口。

虚拟文件系统(VFS):隐藏了各种硬件的具体细节，为所有的设备提供了统一的接口，VFS提供了多达数十种不同的文件系统。虚拟文件系统可以分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指 Linux 所支持的文件系统，如 ext2,fat 等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。

网络接口(NET):提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议。网络设备驱动程序负责与硬件设备通讯，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。

进程间通讯(IPC):支持进程间各种通信机制。处于中心位置的进程调度，所有其它的子系统都依赖它，因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。一般情况下，当一个进程等待硬件操作完成时，它被挂起;当操作真正完成时，进程被恢复执行。例如，当一个进程通过网络发送一条消息时，网络接口需要挂起发送进程，直到硬件成功成功地完成消息的发送，当消息被成功的发送出去以后，网络接口给进程返回一个代码，表示操作的成功或失败。其他子系统以相似的理由依赖于进程调度。

‌架构设计特点‌

Linux采用‌单内核(Monolithic Kernel)‌架构设计，具有以下技术优势：

所有核心服务运行在内核空间，避免频繁上下文切换带来的性能损耗。

通过模块化设计实现动态加载驱动和功能扩展，平衡性能与灵活性。‌‌