深度介紹Linux內(nèi)核是如何工作的

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

牛津字典中對(duì)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)東西核心或者最重要的部分。對(duì)Linux來(lái)說(shuō)，它的Kernel無(wú)疑屬于第二種解釋。讓我們來(lái)看看這個(gè)重要的東西是如何工作的，先從一點(diǎn)理論說(shuō)起。

廣義地來(lái)說(shuō)kernel就是一個(gè)軟件，它在硬件和運(yùn)行在計(jì)算機(jī)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)科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，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(guò)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(lái)舉個(gè)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(dāng)然視你的選擇安裝來(lái)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%。

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(guò)許多的進(jìn)入端口也就是我們從技術(shù)角度所說(shuō)的系統(tǒng)調(diào)用，來(lái)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(lái)提供你硬件的抽象(abstraction)。

從程序員的視角來(lái)看，這些看起來(lái)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(duì)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(lái)說(shuō)，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

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(yǔ)法的細(xì)節(jié)，重點(diǎn)是：通過(guò)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(guò)是一堆數(shù)據(jù)有了個(gè)名字，這樣一來(lái)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(shuō)的抽象(abstraction)，將底層的東西以更易懂的方式表達(dá)出來(lái)。

臺(tái)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(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(lái)說(shuō)，我們會(huì)有種錯(cuò)覺：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

main()

{

if (fork()) {

write(1, Parentn, 7);

wait(0);

exit(0);

}

else {

write(1, Childn, 6);

exit(0);

}

}

在這個(gè)程序中創(chuàng)建了一個(gè)新進(jìn)程，而原來(lái)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)度中最典型的簡(jiǎn)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(chǔ)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(lái)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)的物理存儲(chǔ)，如果系統(tǒng)運(yùn)行的存儲(chǔ)過(guò)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(chǔ)管理的另外一個(gè)方面是防止一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)其他進(jìn)程的地址空間--對(duì)于多進(jìn)程操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上提供機(jī)器對(duì)機(jī)器(machine-to-machine)和進(jìn)程對(duì)進(jìn)程(process-to-process)的通信。這里又會(huì)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(guò)用戶級(jí)程序來(lái)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)镵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(wèn)資源(比如打開一個(gè)文件來(lái)寫入)的時(shí)候，Kernel就會(huì)核對(duì)文件上的訪問(wèn)許可然后做出允許/禁止的命令。這種訪問(wèn)控制模式最終對(duì)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(dòng)。

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?cè)賮?lái)簡(jiǎn)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(shuō)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(dòng)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(chǔ)中，通常這個(gè)/boot 目錄會(huì)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(huì)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(lái)手動(dòng)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：