linux内核探索

对待知识领域，我们总喜欢去下一个定义。 *** 作系统是我们每天工作都要使用的东西，由于现代商业 *** 作系统的复杂性和没有统一的标准，若对一个 *** 作系统下定义并不能精确的描述 *** 作系统所属领域。根据经验我们可以认为 *** 作系统就是在整个应用系统中负责最基本功能和系统管理的那部分。包括内核、设备驱动程序、启动引导程序、命令行Shell或者GUI界面、基本文件管理工具和系统工具。

严格的来讲linux只是 *** 作系统内核本身，广义上的linux则常用来指基于linux内二的完整的 *** 作系统，它包括GUI组件和其它许多工具。

GUI其实只是 *** 作系统的表象，内核才是 *** 作系统内在的核心。系统的其它部分必须依靠内核所提供的服务，像管理硬件设备、分配系统资源等，内核有时候被称为管理者或者 *** 作系统核心。

通常一个内核由负责响应中断的中断服务程序，负责进程调度的CPU调度程序，负责管理进程地址空间的内存管理程序以及网络、进程间通信等系统服务共同组成的。

内核在有安全机制的 *** 作系统中不同于普通程序，一般处于系统态(内核态)，拥有受保护的内存空间和访问硬件设备的所有权限。这种系统状态和被保护起来的内存空间，统称为 内核空间 。

与内核空间相对的，用户所执行的应用程序在用户空间执行。用户态的应用程序只能访问允许它们使用的系统资源，并且只使用某些特定的系统功能，不能直接访问硬件，也不能访问内核划分给其它应用程序的内存空间。

应用程序通过系统调用来和内核通信，当一个应用程序发起系统调用时，内核便代其执行。在这种情况下应用程序通过系统调用在内核空间运行，而内核被称为运行在进程上下文中。应用程序通过系统调用进入内核空间时应用完成其工作的基本方式。

*** 作系统内核可分为两大阵营：单内核和微内核。

单内核是一种较为简单的设计，通常以单个静态二进制文件存储在磁盘中，整体上作为一个单独的大过程，所有的内核服务都在这样的一个大内核地址空间上运行。内核服务都处于内核态，并身处同一内核地址空间，之间可以几乎无性能损耗的相互通信。

单内核具有简单和高性能等特点。

微内核根据功能被分割成多个独立的过程，每个过程都叫做一个服务器。所有的服务器都运行在各自的地址空间上（大部分处于用户空间），只有强烈请求特权服务的服务器才运行在特权模式下。

微内核服务器之间不能直接调用函数通信，而是通过 消息传递 通信。系统采用进程间通信(IPC)机制，服务之间各自独立，通过IPC互换消息，有效的避免了服务之间的失败传染。

IPC机制的开销远高于函数调用，而且在运行时还会牵扯到内核空间和用户空间上下文切换，所以消息传递需要一些开销。所以在内核的实际实现上大部分微内核的 *** 作系统也会让大部分的服务放置与内核中，这样就可以直接调用函数，消除消息传递的开销。

windows NT和Mach(Mac OS X)都是典型的微内核，不过在实际实现上，其所有服务都运行在内核空间。

linux是一个单内核，不过linux汲取了微内核的精华，并拥有模块化设计、抢占式内核、支持内核线程以及动态装载内核模块等特性。

linux内核在设计时充分参考了已有的很多UNIX的内核实现，并且有一些创新方案。linux内核和传统的UNIX系统之间存在一些显著的差异：

本文的写作和学习中参考了以下资料

1.《Linux Kenel Development ~ Thrid Edition 》

Linux 内核设计的理念主要有这几个点：

MutiTask，多任务

SMP，对称多处理

ELF，可执行文件链接格式

Monolithic Kernel，宏内核

MutiTask

MutiTask 的意思是多任务，代表着 Linux 是一个多任务的 *** 作系统。多任务意味着可以有多个任务同时执行，这里的「同时」可以是并发或并行：

对于单核 CPU 时，可以让每个任务执行一小段时间，时间到就切换另外一个任务，从宏观角度看，一段时间内执行了多个任务，这被称为并发。

对于多核 CPU 时，多个任务可以同时被不同核心的 CPU 同时执行，这被称为并行。

SMP

SMP 的意思是对称多处理，代表着每个 CPU 的地位是相等的，对资源的使用权限也是相同的，多个 CPU 共享同一个内存，每个 CPU 都可以访问完整的内存和硬件资源。

这个特点决定了 Linux *** 作系统不会有某个 CPU 单独服务应用程序或内核程序，而是每个程序都可以被分配到任意一个 CPU 上被执行。

ELF

ELF 的意思是可执行文件链接格式，它是 Linux *** 作系统中可执行文件的存储格式

ELF 文件格式

ELF 把文件分成了一个个分段，每一个段都有自己的作用，具体每个段的作用这里就不详细说明了，感兴趣的同学可以去看《程序员的自我修养——链接、装载和库》这本书。

另外，ELF 文件有两种索引，Program header table 中记录了「运行时」所需的段，而 Section header table 记录了二进制文件中各个「段的首地址」。

那 ELF 文件怎么生成的呢？

我们编写的代码，首先通过「编译器」编译成汇编代码，接着通过「汇编器」变成目标代码，也就是目标文件，最后通过「链接器」把多个目标文件以及调用的各种函数库链接起来，形成一个可执行文件，也就是 ELF 文件。

那 ELF 文件是怎么被执行的呢？

执行 ELF 文件的时候，会通过「装载器」把 ELF 文件装载到内存里，CPU 读取内存中宏内核的特征是系统内核的所有模块，比如进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动等，都运行在内核态。

不过，Linux 也实现了动态加载内核模块的功能，例如大部分设备驱动是以可加载模块的形式存在的，与内核其他模块解藕，让驱动开发和驱动加载更为方便、灵活。

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