Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核工作原理介紹
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(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，即內(nèi)核。"對Linux來說，它的Kernel無疑屬于第二種解釋。讓我們來看看這個(gè)重要的東西是如何工作的，先從一點(diǎn)理論說起。廣義地來說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)的角度來說，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%。
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(jìn)入端口也就是我們從技術(shù)角度所說的系統(tǒng)調(diào)用，來使得運(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(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(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。不談這段程序語法的細(xì)節(jié)，重點(diǎn)是：通過這些系統(tǒng)調(diào)用Linux Kernel提供了一個(gè)文件的"錯(cuò)覺"，而實(shí)際上它不過是一堆數(shù)據(jù)有了個(gè)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(dá)出來。
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)來說，我們會有種錯(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, "Parent\n", 7);
- wait(0);
- exit(0);
- }
- else {
- write(1, "Child\n", 6);
- exit(0);
- }
- }
在這個(gè)程序中創(chuàng)建了一個(gè)新進(jìn)程，而原來的進(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)度中最典型的簡單調(diào)用。
前臺幕后
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，如果系統(tǒng)運(yùn)行的存儲過低，它的地址空間甚至?xí)淮疟P的交互區(qū)暫時(shí)寄用。存儲管理的另外一個(gè)方面是防止一個(gè)進(jìn)程訪問其他進(jìn)程的地址空間--對于多進(jìn)程操作系統(tǒng)來說這是很必要的一個(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，它們在網(wǎng)絡(luò)上提供機(jī)器對機(jī)器（machine-to-machine）和進(jìn)程對進(jìn)程（process-to-process）的通信。這里又會造成一種假象，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是通過用戶級程序來實(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)用企圖訪問資源（比如打開一個(gè)文件來寫入）的時(shí)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(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。
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(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)存儲中，通常這個(gè)/boot 目錄會被叫做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，所有的組件都會在kernel安裝時(shí)被拷貝。
#p#
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)候有命令行可以來手動檢查和管理模塊。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：
- # 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(dāng)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(gè)命令行叫做insmod和rmmod，但modprobe更易于使用因?yàn)樗詣右瞥四K依賴）。比如lsmod的輸出在我們的電腦上顯示了一個(gè)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(gè)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(shí)候你還試圖移除模塊，就不會成功了因?yàn)樗诒皇褂茫?/P>
# modprobe -r isofs
FATAL: Module isofs is in use.
Lsmod只是列出了當(dāng)前被載入的模塊，modprobe則將列出所有可用的模塊，它實(shí)際上輸出了/lib/modules/KERNELVERSION目錄下所有的模塊，名單會很長！實(shí)際上，使用modprobe來手動加載一個(gè)模塊并不常見，但確實(shí)可以通過modprobe命令行來對模塊設(shè)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(shí)參數(shù)。
那么如何知道一個(gè)模塊會接受什么參數(shù)呢？一個(gè)比較好的方法是使用modinfo命令，它列出了關(guān)于模塊的種種信息。這里有一個(gè)關(guān)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(rèn)的參數(shù)；/usr/src/KERNELVERSION/Documentation/kernel-parameters.txt這個(gè)文件也很有用。
前幾天在Ubuntu論壇有一個(gè)例子，說的是如何將參數(shù)傳遞到一個(gè)模塊。實(shí)際上問題的關(guān)鍵是snd-hda-intel參數(shù)在正確驅(qū)動聲音硬件時(shí)需要一點(diǎn)操作，而且在boot time加載時(shí)會中止。解決方法的一部分是將probe_mask=1選項(xiàng)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(shí)包含probe_mask=1選項(xiàng)。現(xiàn)在的有些Linux版本將這一信息分離進(jìn)/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(xì)節(jié)。為了說明/proc，我們首先需要擴(kuò)展我們對于文件的理解。除了認(rèn)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(yīng)當(dāng)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(guān)閉等訪問的信息，當(dāng)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(gè)部分，給我們一個(gè)視角可以看到kernel內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，許多Linux的報(bào)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(dāng)前加載的模塊。
同樣的，/proc/meminfo提供了關(guān)于虛擬存儲系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的更多細(xì)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(dāng)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(shè)置告訴我們kernel是否將轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)包，也就是說是否扮演網(wǎng)關(guān)的作用?，F(xiàn)在，kernel告訴我們這是關(guān)閉的：# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
當(dāng)你發(fā)現(xiàn)你可以對這些文件寫入的時(shí)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(yùn)行的kernel中打開IP 轉(zhuǎn)發(fā)（IP forwarding）
除了使用cat和echo來檢查和更正/proc/sys下的設(shè)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
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(shè)置改變只能影響當(dāng)前運(yùn)行的kernel的，當(dāng)reboot的時(shí)候就不再有效。如果想讓設(shè)置永久有效，將它們放置在/etc/sysctl.conf文件中。在boot time時(shí)，sysctl將自動重新確定它在此文件下找到的任何設(shè)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(gè)說法：/proc/sys下可寫入的參數(shù)孕育了整個(gè)Linux性能調(diào)優(yōu)的亞文化。我個(gè)人覺得這種說法有點(diǎn)過夸，但這里會有幾個(gè)你確實(shí)很想一試的例子：Oracle 10g的安裝說明，要求你設(shè)置一組參數(shù)，包括：kernel.shmmax=2147483648 這將公用存儲器的大小設(shè)置為2GB。（公用存儲器是處理期內(nèi)的通信機(jī)制，允許存儲單元在多個(gè)進(jìn)程的地址空間內(nèi)同時(shí)可用）
IBM 'Redpaper'在Linux性能和調(diào)優(yōu)方面的說明在調(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(gè)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(shè)置從而提高安全性，如net.ipv4.icmp_echo_ignore_broadcasts=1 它"告訴"kernel不必響應(yīng)ICMP請求，從而使得你的網(wǎng)絡(luò)免受類如Smurf攻擊之類的拒絕服務(wù)器（denial-of-service）型攻擊。
net.ipv4.conf.all.rp_filter=1 則是"告訴"kernel加強(qiáng)入站過濾（ingress filtering）和出站過濾（egress filtering）
那么有沒有一個(gè)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(dāng)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。
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