粵嵌linux內(nèi)核基礎(chǔ)

1、Linux內(nèi)核基礎(chǔ) 目錄認(rèn)識操作系統(tǒng)1Linux內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)2Linux內(nèi)核編譯3 不同角度看到的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)整體看操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者使用者普通開發(fā)者認(rèn)識操作系統(tǒng) 從使用者的角度看操作系統(tǒng)打開計(jì)算機(jī)，首先跳入眼簾的是什么？要拷貝一個(gè)文件，具體的拷貝操作是誰完成的？需要知道文件存放在何處，在硬盤的那個(gè)柱面、磁道、扇區(qū)。數(shù)據(jù)的搬動過程怎樣進(jìn)行復(fù)雜的I/O操作。繁瑣留給自己，簡單留給用戶 操作系統(tǒng)穿上華麗的外衣圖形界面操作系統(tǒng)穿上樸素的外衣字符界面認(rèn)識操作系統(tǒng) 帶系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序Application設(shè)備驅(qū)動程序Driver硬件（Hardware）應(yīng)用（Application）標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)（A

2、PI）操作系統(tǒng)（OS）硬件抽象層（HAL）BSP、驅(qū)動硬件（Hardware）不帶操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 帶操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 兩類不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 從程序開發(fā)者的角度看操作系統(tǒng)拷貝命令的C語言實(shí)現(xiàn)片斷inf=open(“/mnt/usbdisk/test”,O_RDONLY,0);outf=open(“/mydir/test”,O_WRONLY,0600);do read_size=read(inf,buf,4096); write(outf,buf, read_size); while(read_size);close(outf);close(inf);認(rèn)識操作系統(tǒng) 從操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的角度看操作

3、系統(tǒng)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是什么？讓各種軟件資源和硬件資源高效而協(xié)調(diào)地運(yùn)轉(zhuǎn)起來。盡可能地方便用戶使用計(jì)算機(jī)。 假設(shè)在一臺計(jì)算機(jī)上有三道程序同時(shí)運(yùn)行，并試圖在一臺打印機(jī)上輸出運(yùn)算結(jié)果，必須考慮哪些問題 ?從操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的角度考慮，一個(gè)操作系統(tǒng)必須包含以下幾部分 CPU管理內(nèi)存管理設(shè)備管理文件管理認(rèn)識操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)內(nèi)核 Linux內(nèi)核用戶程序運(yùn)行在Linux內(nèi)核之上的一個(gè)龐大軟件集合。系統(tǒng)調(diào)用內(nèi)核的出口，用戶程序通過它使用內(nèi)核提供的功能。 Linux內(nèi)核操作系統(tǒng)的靈魂，負(fù)責(zé)管理磁盤上的文件、內(nèi)存，負(fù)責(zé)啟動并運(yùn)行程序，負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包等等。 硬件包括了Linux安裝時(shí)需要的所有可能的物

4、理設(shè)備。例如，CPU、 內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)硬件等等。 Linux內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)Linux內(nèi)核采用宏內(nèi)核結(jié)構(gòu)（Monolithic kernel ）所有的功能放在一個(gè)大程序中。也就是內(nèi)核是一個(gè)大程序，是一個(gè)系統(tǒng)軟件，管理系統(tǒng)的硬件資源，組織軟件的工作。龐大而復(fù)雜的核心，但是卻采用子系統(tǒng)和分層的概念很好地進(jìn)行了組織。宏內(nèi)核由于全部功能集中在一塊，系統(tǒng)花在內(nèi)核功能的切換上（例如文件系統(tǒng)到IO驅(qū)動系統(tǒng)上的切換上）開銷就非常小，提供給用戶程序的反應(yīng)就很快。同時(shí)，因?yàn)槿抗δ芗性谝粔K，各個(gè)功能之間的耦合度就很緊，導(dǎo)致了內(nèi)核難以修改和增加新功能。 Linux內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)代的Linux內(nèi)核是具有微內(nèi)核特點(diǎn)的宏

5、內(nèi)核。Linux內(nèi)核引入內(nèi)核模塊機(jī)制。通過動態(tài)加載內(nèi)核模塊，使得在運(yùn)行過程中擴(kuò)展內(nèi)核的功能。不需要的時(shí)候，卸載該內(nèi)核模塊。內(nèi)核程序映像中包含內(nèi)核的基本功能，而其他的功能可以通過內(nèi)核模塊的方式存在。當(dāng)需要內(nèi)核模塊所提供的功能的支持時(shí)，再加載內(nèi)核模塊，把內(nèi)核模塊通過ld鏈接器鏈接到內(nèi)核中。 Linux內(nèi)核體系結(jié)構(gòu) Linux內(nèi)核子系統(tǒng) Linux內(nèi)核子系統(tǒng) 進(jìn)程調(diào)度控制著進(jìn)程對CPU的訪問。 內(nèi)存管理允許多個(gè)進(jìn)程安全地共享主內(nèi)存區(qū)域 虛擬文件系統(tǒng)隱藏各種不同硬供統(tǒng)一的接口。網(wǎng)絡(luò)提供了對各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的存硬件的支持。 進(jìn)程間通信(IPC) 支持進(jìn)程間各種通信機(jī)制，包括共享內(nèi)存、消息隊(duì)列及管道等。

6、Linux 內(nèi)核的五個(gè)子系統(tǒng)1.進(jìn)程調(diào)度（SCHED）控制CPU處理進(jìn)程。當(dāng)需要選擇下一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，由調(diào)度程序選擇最值得運(yùn)行的進(jìn)程。可運(yùn)行進(jìn)程實(shí)際上是僅等待CPU資源的進(jìn)程，如果某個(gè)進(jìn)程在等待其它資源，則該進(jìn)程是不可運(yùn)行進(jìn)程。Linux使用了基于優(yōu)先級的進(jìn)程調(diào)度算法選擇新的進(jìn)程。 Linux 內(nèi)核的五個(gè)子系統(tǒng)2.內(nèi)存管理（MM）物理內(nèi)存的管理：分配、釋放、回收等Linux內(nèi)核采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，每個(gè)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存空間為4GB。其中0-3G屬于用戶空間，稱為用戶段，3G-4G屬于內(nèi)核空間，稱為內(nèi)核段。允許多個(gè)進(jìn)程安全的共享主內(nèi)存區(qū)域。 Linux 內(nèi)核的五個(gè)子系統(tǒng)3.虛擬文件系統(tǒng)（Virtual

7、FileSystem,VFS）實(shí)現(xiàn)了一種通用文件模型。屏蔽了各種不同文件系統(tǒng)的內(nèi)在差別，使得用戶可以使用同樣的方式訪問各種不同格式的文件系統(tǒng)。為用戶訪問不同的文件系統(tǒng)提供統(tǒng)一的通用的接口。 Linux 內(nèi)核的五個(gè)子系統(tǒng)4.網(wǎng)絡(luò)接口（NET）提供了對各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的存取和各種網(wǎng)絡(luò)硬件的支持。網(wǎng)絡(luò)接口可分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序負(fù)責(zé)與硬件設(shè)備通訊，每一種可能的硬件設(shè)備都有相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。 Linux 內(nèi)核的五個(gè)子系統(tǒng)5.進(jìn)程間通訊(IPC) 支持進(jìn)程間各種通信機(jī)制，包括共享內(nèi)存、消息隊(duì)列及管道等。Linux的IPC是把Unix系統(tǒng)的

8、進(jìn)程間通訊機(jī)制移植過來的。 Linux 內(nèi)核的五個(gè)子系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)之間的依賴關(guān)系處于中心位置的進(jìn)程調(diào)度，所有其它的子系統(tǒng)都依賴它，因?yàn)槊總€(gè)子系統(tǒng)都需要掛起或恢復(fù)進(jìn)程。一般情況下，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程等待硬件操作完成時(shí)，它被掛起；當(dāng)操作真正完成時(shí)，進(jìn)程被恢復(fù)執(zhí)行。例如，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一條消息時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接口需要掛起發(fā)送進(jìn)程，直到硬件成功地完成消息的發(fā)送，當(dāng)消息被成功的發(fā)送出去以后，網(wǎng)絡(luò)接口給進(jìn)程返回一個(gè)代碼，表示操作的成功或失敗。其他子系統(tǒng)以相似的理由依賴于進(jìn)程調(diào)度。 Linux 內(nèi)核的五個(gè)子系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)之間的依賴關(guān)系進(jìn)程調(diào)度與內(nèi)存管理之間的關(guān)系：這兩個(gè)子系統(tǒng)互相依賴。在多道程序環(huán)境下，程序要運(yùn)行必

9、須為之創(chuàng)建進(jìn)程，而創(chuàng)建進(jìn)程的第一件事情，就是將程序和數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存。 進(jìn)程間通信與內(nèi)存管理的關(guān)系：進(jìn)程間通信子系統(tǒng)要依賴內(nèi)存管理支持共享內(nèi)存通信機(jī)制，這種機(jī)制允許兩個(gè)進(jìn)程除了擁有自己的私有空間，還可以存取共同的內(nèi)存區(qū)域。 虛擬文件系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)接口之間的關(guān)系：虛擬文件系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)接口支持網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(NFS),也利用內(nèi)存管理支持RAMDISK設(shè)備。 內(nèi)存管理與虛擬文件系統(tǒng)之間的關(guān)系：內(nèi)存管理利用虛擬文件系統(tǒng)支持交換，交換進(jìn)程(swapd)定期由調(diào)度程序調(diào)度，這也是內(nèi)存管理依賴于進(jìn)程調(diào)度的唯一原因。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程存取的內(nèi)存映射被換出時(shí)，內(nèi)存管理向文件系統(tǒng)發(fā)出請求，同時(shí)，掛起當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程。 Linux

10、的系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用是內(nèi)核提供的一系列函數(shù)，提供給用戶程序調(diào)用的一組“特殊”接口。是應(yīng)用程序和內(nèi)核的交互接口。用戶進(jìn)程是不能存取內(nèi)核使用的內(nèi)存段，也不能調(diào)用內(nèi)核函數(shù)。當(dāng)用戶進(jìn)程請求內(nèi)核服務(wù)時(shí)，用戶程序可以通過這組“特殊”接口來獲得操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的服務(wù)。 Linux的系統(tǒng)調(diào)用例如進(jìn)程的創(chuàng)建。用戶進(jìn)程通過fork、vfork創(chuàng)建子進(jìn)程。用戶進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用fork陷入內(nèi)核空間，使用內(nèi)核函數(shù)do_fork和分配內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)task_struct等。 Linux的系統(tǒng)調(diào)用為什么需要系統(tǒng)調(diào)用出于安全的考慮。使得用戶進(jìn)程不能隨便的進(jìn)入內(nèi)核空間，訪問內(nèi)核變量和內(nèi)核函數(shù)。用戶進(jìn)程只有只能通過系統(tǒng)調(diào)用獲取系統(tǒng)內(nèi)

11、核服務(wù)，規(guī)定了用戶進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)核的具體位置 ，也就是用戶訪問內(nèi)核的路徑是事先規(guī)定好的，只能從規(guī)定位置進(jìn)入內(nèi)核，執(zhí)行規(guī)定的內(nèi)核函數(shù)（功能）。 Linux的系統(tǒng)調(diào)用為什么需要系統(tǒng)調(diào)用用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用才能夠獲取內(nèi)核服務(wù)，是對內(nèi)核的保護(hù)。用戶進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用，從用戶態(tài)切換到內(nèi)核內(nèi)核，在內(nèi)核態(tài)完成任務(wù)后再返回用戶態(tài)。Linux的系統(tǒng)調(diào)用 Linux的系統(tǒng)調(diào)用跟很多Unix和windows系統(tǒng)相比，簡潔和高效。 （Linux設(shè)計(jì)精髓）Linux系統(tǒng)調(diào)用繼承Unix的部分系統(tǒng)調(diào)用（最基本和最有用的系統(tǒng)調(diào)用），所以Linux全部系統(tǒng)調(diào)用只有300個(gè)左右。 按照功能大致可分為進(jìn)程控制文件系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制存儲管

12、理網(wǎng)絡(luò)管理socket控制用戶管理進(jìn)程間通信 使用man 2 syscalls 命令查看系統(tǒng)調(diào)用的說明 Linux的系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用并非直接和程序員打交道，程序員調(diào)用的是用戶編程接口API。Linux的API遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)，定義了一系列API，通過C庫（glibc）實(shí)現(xiàn)。除了定義標(biāo)準(zhǔn)的C函數(shù)外，提供了一套封裝例程將系統(tǒng)調(diào)用在用戶空間封裝后供用戶編程使用。 Linux 內(nèi)核的技術(shù)特點(diǎn) Linux內(nèi)核最注重實(shí)用和效率。 內(nèi)核可定制。選擇適合自己的功能，將不需要的部分剔除出內(nèi)核。Linux內(nèi)核對設(shè)備驅(qū)動或新文件系統(tǒng)等采用了 (loadable kernel module) LKM機(jī)制，用戶在需要

13、時(shí)可以現(xiàn)場動態(tài)加載，使用完畢可以動態(tài)卸載。將模塊從內(nèi)核中獨(dú)立出來，不必預(yù)先綁定在 kernel codes 中。這樣做有三種優(yōu)點(diǎn)：1 將來修改 kernel 時(shí)，不必全部重新compile2 若需要安裝新的 modules ，不必重新 compile kernel，只要插入 (通過insmode指令) 對應(yīng)的modules 3 減少內(nèi)核對系統(tǒng)資源的占用，內(nèi)核可以集中精力做最基本的事情，把一些擴(kuò)展功能交由modules實(shí)現(xiàn)。 Linux內(nèi)核版本 0.01Linux（第一版） 0.13版 產(chǎn)品化版本 實(shí)驗(yàn)版本 1.0.0 1.1.0(1.0.0的拷貝) 1.0.X(修改) 1.1.X(增加新功能，

14、進(jìn)行測試) 2.4.18 2.6.37Linux內(nèi)核版本Linux內(nèi)核版本號X.Y.ZY是偶數(shù)的是穩(wěn)定版，Z是修訂號，這是2.6內(nèi)核前的版本管理辦法 在2.6穩(wěn)定版的基礎(chǔ)上增加新功能和新補(bǔ)丁現(xiàn)在一共有三個(gè)2.6版內(nèi)核：第一個(gè)是穩(wěn)定版內(nèi)核2.6.x，由托沃茲負(fù)責(zé)維護(hù)；第二個(gè)是2.6-mm版內(nèi)核，用于新技術(shù)加入穩(wěn)定版前進(jìn)行測試；第三個(gè)是2.6.x.y版內(nèi)核（簡稱為.y版內(nèi)核），它的用途是測試補(bǔ)丁。 Linux內(nèi)核源代碼結(jié)構(gòu)Linux 內(nèi)核源代碼的結(jié)構(gòu)Linux內(nèi)核源代碼位于/usr/src/linux目錄下/include子目錄包含了建立內(nèi)核代碼時(shí)所需的大部分包含文件/init 子目錄包含了內(nèi)核的

15、初始化代碼 /arch子目錄包含了所有硬件結(jié)構(gòu)特定的內(nèi)核代碼/drivers子目錄包含了內(nèi)核中所有的設(shè)備驅(qū)動程序 /fs子目錄包含了所有的文件系統(tǒng)的代碼 /net子目錄包含了內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)連接代碼 /mm子目錄包含了所有內(nèi)存管理代碼 /ipc子目錄包含了進(jìn)程間通信代碼 /kernel子目錄包含了主內(nèi)核代碼 Linux內(nèi)核配置編譯編譯內(nèi)核的需要Linux作為一個(gè)自由軟件，不斷增加許多新的特性。想要使用這些新特性，或想根據(jù)自己的系統(tǒng)度身定制一個(gè)更高效，更穩(wěn)定的內(nèi)核，就需要重新編譯內(nèi)核。更新的內(nèi)核會支持更多的硬件，具備更好的進(jìn)程管理能力，運(yùn)行速度更快、 更穩(wěn)定，并且一般會修復(fù)老版本中發(fā)現(xiàn)的許多漏洞等。L

16、inux內(nèi)核配置編譯編譯內(nèi)核的需要自己定制編譯的內(nèi)核運(yùn)行更快系統(tǒng)將擁有更多的內(nèi)存不需要的功能編譯進(jìn)入內(nèi)核可能會增加被系統(tǒng)攻擊者利用的漏洞將某種功能編譯為模塊方式會比編譯到內(nèi)核內(nèi)的方式速度要慢一些 新版本內(nèi)核的獲取和更新官方網(wǎng)站是 新版本的內(nèi)核的發(fā)布有兩種形式一種是full/Source版本，一般是tar.gz或者是.bz2文件。另外一種是patch文件，即補(bǔ)丁。 patch文件一般只有幾十K到幾百K,但是patch文件是針對于特定的版本的，你需要找到自己對應(yīng)的版本才能使用。例如：你有2.6.9的源代碼，但想移到2.6.10。就可以獲得2.6.10的補(bǔ)丁文件，應(yīng)用patch來修改2.6.9源文件

17、。$ cd /usr/src/linux $ patch pl 樹狀菜單。Kbuild構(gòu)建系統(tǒng)Kconfig文件arch/$(ARCH)/Kconfig文件是主Kconfig文件，主Kconfig文件調(diào)用其他目錄的Kconfig文件。這些Kconfig文件形成樹狀關(guān)系-樹狀菜單。script目錄下提供不同的配置工具去讀取Kconfig文件形成不同的配置方式。如menuconfig目標(biāo)使用mconf。Documentation/kbuild/kconfig-language.txt提供了kconfig文件的書寫語法。 Linux內(nèi)核配置編譯內(nèi)核配置命令：#make config（基于文本的最為傳統(tǒng)的配置界面，不推薦使用） #make menuconfig（基于文本菜單的配置界面，字符終端下推薦使用） #make xconfig（基于圖形窗口模式的配置界面，Xwindow下推薦使用） #make gconfig（基于gtk的圖形配置界面）Linux內(nèi)核配置編譯選擇相應(yīng)的配置時(shí)，有三種選擇，它們分別代表的含義如下： Y-將該功能編譯進(jìn)內(nèi)核 N-不將該功能編譯進(jìn)內(nèi)核 M-將該功能編譯成模塊，可以在需要時(shí)動態(tài)插入到內(nèi)核中make xconfig，使用鼠標(biāo)就可以選擇對應(yīng)的選項(xiàng)。make menuconfig，則需要使用空格