Linux操作系統內核工作原理介紹
本文發表于Linux Format magazine雜志，作者從技術深度上解釋了Linux Kernel是如何工作的。相信對Linux開發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、通常是一個堅果可食用的部分。"當然還有第二種定義："某個東西核心或者最重要的部分，即內核。"對Linux來說，它的Kernel無疑屬于第二種解釋。讓我們來看看這個重要的東西是如何工作的，先從一點理論說起。廣義地來說kernel就是一個軟件，它在硬件和運行在計算機上的應用程序之間提供了一個層。嚴格點從計算機科學的角度來說，Linux中的Kernel指的是Linus Torvalds在90年代初期寫的那點代碼。
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服務器、Tux Racer以及所有的其他，都不過是運行在Linux上的應用而已，而不是操作系統自身的一部分。為了給大家一個更加直觀的感覺，我來舉個例子，比如RHEL5的安裝大概要占據2.5GB的硬盤空間（具體多大當然視你的選擇安裝來定），在這其中，kernel以及它的各個模塊組件，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通過許多的進入端口也就是我們從技術角度所說的系統調用，來使得運行在它上面的應用程序可用。Kernel使用的系統調用比如"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用，然而實際上系統調用在處理器的操作模式上，從用戶空間到Kernel空間有一個明顯的切換。同時，系統調用提供了一個"Linux虛擬機"，可以被認為是對硬件的抽象。
Kernel提供的更明顯的抽象之一是文件系統。舉例來說，這里有一段短的程序是用C寫的，它打開了一個文件并將內容拷貝到標準的輸出：
- #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，你可以看到四個系統調用的例子：打開、讀、寫和關閉。不談這段程序語法的細節，重點是：通過這些系統調用Linux Kernel提供了一個文件的"錯覺"，而實際上它不過是一堆數據有了個名字，這樣一來你就不必去與硬件底層的堆棧、分區、頭和指針、分區等交涉了，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出來。
系統文件是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，比如進程調度。任何一個時間，都可能有好幾個進程或者程序等待著運行。Kernel的時間調度給每個進程分配CPU時間，所以就一段時間內來說，我們會有種錯覺：電腦同一時間運行好幾個程序。這是另外一個C程序：
- #include
- main()
- {
- if (fork()) {
- write(1, "Parent\n", 7);
- wait(0);
- exit(0);
- }
- else {
- write(1, "Child\n", 6);
- exit(0);
- }
- }
在這個程序中創建了一個新進程，而原來的進程（父進程）和新進程（子進程）都編寫了標準輸出然后結束。注意系統調用fork(), exit() 以及 wait()執行程序的創建、結束和各自同步。這是進程管理和調度中最典型的簡單調用。
前臺幕后
Kernel還有一個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。每個程序運行得都好像它有個自己的地址空間來調用一樣，實際上它跟其他進程一樣共享計算機的物理存儲，如果系統運行的存儲過低，它的地址空間甚至會被磁盤的交互區暫時寄用。存儲管理的另外一個方面是防止一個進程訪問其他進程的地址空間--對于多進程操作系統來說這是很必要的一個防范措施。
Kernel同樣還配置網絡鏈接協議比如IP、TCP和UDP等，它們在網絡上提供機器對機器（machine-to-machine）和進程對進程（process-to-process）的通信。這里又會造成一種假象，即TCP在兩個進程之間提供了一個固定連接--就好像連接兩個電話的銅線一樣，實際中卻并沒有固定的連接，特殊的引用協議比如FTP、DNS和HTTP是通過用戶級程序來實施的，而并非Kernel的一部分。
Linux（像之前的Unix）在安全方面口碑很好，這是因為Kernel跟蹤記錄了每個運行進程的user ID和group ID，每次當一個應用企圖訪問資源（比如打開一個文件來寫入）的時候，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Linux系統的安全作用很大。
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備交流的諸多細節、如何從磁盤讀取一個分區、如果從網絡接口卡獲取數據包等。有時我們稱這些為設備驅動。
模塊化的Kernel
現在我們隊Kernel是做什么的已經有了一些了解，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地連接成一個（很大的）執行文件。
相比較而言，現在的Linux Kernel是模塊化的：許多功能包含在模塊內，然后動態地載入kernel中。這使得kernel的內核很小，而且在運行kernel時可以不必reboot就能載入和替代模塊。
Kernel的內核在boot time時從位于/boot 目錄的一個文件加載進存儲中，通常這個/boot 目錄會被叫做KERNELVERSION，KERNELVERSION與kernel版本有關。（如果你想知道你的kernel版本是什么，運行命令行顯示系統信息-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，為了查清楚當前到底哪個模塊在載入kernel。這里有一個輸出的例子：
- # 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
輸出的內容包括：模塊的名字、大小、使用次數和依賴于它的模塊列表。使用次數對防止卸載當前活躍的模塊非常總要。Linux只允許使用次數為零的模塊被移除。
你可以使用modprobe來手動加載和卸載模塊，（還有兩個命令行叫做insmod和rmmod，但modprobe更易于使用因為它自動移除了模塊依賴）。比如lsmod的輸出在我們的電腦上顯示了一個名叫isofs的卸載模塊，它的使用次數是零而且沒有依賴模塊，（isofs是一個模塊，它支持CD上使用的ISO系統文件格式）這種情況下，kernel會允許我們卸載模塊：# modprobe -r isofs
現在，isofs不再顯示在Ismod的輸出中，kernel由此節省了36,284字節的存儲。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的使用次數增加到1次。如果這時候你還試圖移除模塊，就不會成功了因為它正在被使用：
# modprobe -r isofs
FATAL: Module isofs is in use.
Lsmod只是列出了當前被載入的模塊，modprobe則將列出所有可用的模塊，它實際上輸出了/lib/modules/KERNELVERSION目錄下所有的模塊，名單會很長！實際上，使用modprobe來手動加載一個模塊并不常見，但確實可以通過modprobe命令行來對模塊設置參數，例如：# modprobe usbcore blinkenlights=1
我們并不是在創建blinkenlights，而是usbcore模塊的實參數。
那么如何知道一個模塊會接受什么參數呢？一個比較好的方法是使用modinfo命令，它列出了關于模塊的種種信息。這里有一個關于模塊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。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聲音模塊承認的參數；/usr/src/KERNELVERSION/Documentation/kernel-parameters.txt這個文件也很有用。
前幾天在Ubuntu論壇有一個例子，說的是如何將參數傳遞到一個模塊。實際上問題的關鍵是snd-hda-intel參數在正確驅動聲音硬件時需要一點操作，而且在boot time加載時會中止。解決方法的一部分是將probe_mask=1選項賦給模塊，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模塊時包含probe_mask=1選項。現在的有些Linux版本將這一信息分離進/etc/modprobe.d下的不同文件中了，而不是放入modprobe.conf中。
/proc系統文件
Linux kernel同樣通過/proc系統文件來展示了許多細節。為了說明/proc，我們首先需要擴展我們對于文件的理解。除了認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，我們還應當把它理解為任何可以通過傳統系統調用如：打開、讀、寫、關閉等訪問的信息，當然它也可以被常見的程序訪問。
/proc之下的"文件"完全是kernel虛擬的一個部分，給我們一個視角可以看到kernel內部的數據結構。實際上，許多Linux的報告工具均能夠很好地呈現在/proc下的文件中尋到的格式化版本的信息。比如，一列/proc/modules將展示一列當前加載的模塊。
同樣的，/proc/meminfo提供了關于虛擬存儲系統當前狀態的更多細節信息，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ARP cache的當前內容，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下的設置告訴我們kernel是否將轉發IP數據包，也就是說是否扮演網關的作用。現在，kernel告訴我們這是關閉的：# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
當你發現你可以對這些文件寫入的時候，你會覺得更加有意思。繼續舉例來說：# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
將在運行的kernel中打開IP 轉發（IP forwarding）
除了使用cat和echo來檢查和更正/proc/sys下的設置以外，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置改變只能影響當前運行的kernel的，當reboot的時候就不再有效。如果想讓設置永久有效，將它們放置在/etc/sysctl.conf文件中。在boot time時，sysctl將自動重新確定它在此文件下找到的任何設置。
/etc/sysctl.conf下的代碼行大概是這樣的：net.ipv4.ip_forward=1
性能調優（performance tuning）
有這樣一個說法：/proc/sys下可寫入的參數孕育了整個Linux性能調優的亞文化。我個人覺得這種說法有點過夸，但這里會有幾個你確實很想一試的例子：Oracle 10g的安裝說明，要求你設置一組參數，包括：kernel.shmmax=2147483648 這將公用存儲器的大小設置為2GB。（公用存儲器是處理期內的通信機制，允許存儲單元在多個進程的地址空間內同時可用）
IBM 'Redpaper'在Linux性能和調優方面的說明在調教/proc/sys下的參數方面給出了不少建議，包括：vm.swappiness=100 這個參數控制著存儲頁如何被交換到磁盤。
一些參數可以被設置從而提高安全性，如net.ipv4.icmp_echo_ignore_broadcasts=1 它"告訴"kernel不必響應ICMP請求，從而使得你的網絡免受類如Smurf攻擊之類的拒絕服務器（denial-of-service）型攻擊。
net.ipv4.conf.all.rp_filter=1 則是"告訴"kernel加強入站過濾（ingress filtering）和出站過濾（egress filtering）
那么有沒有一個說明能涵蓋這所有的參數？好吧，這有一行命令：# sysctl -a 它將展示所有的參數名字和當前值。列表很長，但是你無法知道這些參數是做什么的。另外比較有用的參考是Red Hat Enterprise Linux Reference Guide，對此有整章節的描述，你可以從www.redhat.com/docs/manuals/enterprise上下載。
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