Linux 内核是一种开源的类 Unix 操作系统宏内核，我来为大家讲解一下关于深入理解linux内核架构?跟着小编一起来看一看吧!

深入理解linux内核架构（Linux系统内核概述）

深入理解linux内核架构

Linux 内核是一种开源的类 Unix 操作系统宏内核。

Linux 内核是 Linux 操作系统的主要组件，也是计算机硬件与其进程之间的核心接口。它负责两者之间的通信，还要尽可能高效地管理资源。之所以称为内核，是因为它在操作系统中就像果实硬壳中的种子一样，并且控制着硬件的所有主要功能。内核的用途主要有以下 4 项工作：

  • 内存管理：追踪记录有多少内存存储了什么以及存储在哪里

  • 进程管理：确定哪些进程可以使用中央处理器、何时使用以及持续多长时间

  • 设备驱动程序：充当硬件与进程之间的调解程序/解释程序

  • 系统调用和安全防护：从流程接受服务请求

    在正确实施的情况下，内核对于用户是不可见的，它在自己的小世界(称为内核空间)中工作，并从中分配内存和跟踪所有内容的存储位置。用户所看到的内容则被称为用户空间。这些应用通过系统调用接口(SCI)与内核进行交互。

    Linux系统内核概述

    1. 内核简介

    单内核体系设计、但充分借鉴了微内核设计体系的优点，为内核引入模块化机制。

    Linux 内核的重要组成部分，主要有以下几部分：

  • kernel内核核心，一般为 bzImage通常在 /boot 目录下，名称为 vmlinuz-VERSION-RELEASE

  • kernel object内核对象，一般放置于 /lib/modules/VERSION-RELEASE/[ ] ==> N ==> 不编译进内核[M] ==> M ==> 编译为模块文件[*] ==> Y ==> 编译进内核

  • 辅助文件(ramdisk)initrdinitramfs

    2. 内核模块2.1 uname 命令

    使用格式

  • uname [OPTION]...

    参数解释

  • -n 显示节点名称

  • -r 显示VERSION-RELEASE

  • -s 内核名称

  • -v 内核版本

  • -n 节点名

  • -m 硬件名称

  • -i 硬件平台

  • -p 处理器类型

  • -o 操作系统

    # uname -m i686 # uname -r 2.6.32-573.22.1.el6.i686 # uname -a Linux MyServer 2.6.32-573.22.1.el6.i686 ... i686 i386 GNU/Linux

    2.2 lsmod 命令

    显示由核心已经装载的内核模块

    命令定义

  • 显示的内容来自于: /proc/modules 文件。

  • 使用 lsmod 命令时，常会采用类似 lsmod | grep -i ext4 这样的命令来查询系统是否加载了某些模块。

    # cat /proc/modules iptable_filter 2173 0 - Live 0xed9b2000 ip_tables 9567 1 iptable_filter, Live 0xed9a9000 ext3 203718 1 - Live 0xed962000 jbd 65315 1 ext3, Live 0xed904000 xenfs 4360 1 - Live 0xed8e6000 ipv6 271097 14 - Live 0xed88e000 xen_netfront 15871 0 - Live 0xed7d9000 ext4 339812 2 - Live 0xed764000 jbd2 75927 1 ext4, Live 0xed6d9000 mbcache 6017 2 ext3,ext4, Live 0xed6b7000 xen_blkfront 19209 5 - Live 0xed69f000 dm_mirror 11969 0 - Live 0xed68d000 dm_region_hash 9644 1 dm_mirror, Live 0xed67e000 dm_log 8322 2 dm_mirror,dm_region_hash, Live 0xed672000 dm_mod 84711 11 dm_mirror,dm_log, Live 0xed64e000

    # lsmod | grep ext4 ext4 339812 2 jbd2 75927 1 ext4 mbcache 6017 2 ext3,ext4

    字段含义

  • 第 1 列：表示模块的名称

  • 第 2 列：表示模块的大小

  • 第 3 列：表示依赖模块的个数

  • 第 4 列：表示依赖模块的内容

    # lsmod Module Size Used by iptable_filter 2173 0 ip_tables 9567 1 iptable_filter ext3 203718 1 jbd 65315 1 ext3 xenfs 4360 1 ipv6 271097 14 xen_netfront 15871 0 ext4 339812 2 jbd2 75927 1 ext4 mbcache 6017 2 ext3,ext4 xen_blkfront 19209 5 dm_mirror 11969 0 dm_region_hash 9644 1 dm_mirror dm_log 8322 2 dm_mirror,dm_region_hash dm_mod 84711 11 dm_mirror,dm_log

    2.3 modinfo 命令

    显示模块的详细描述信息

    命令定义

  • modinfo 列出 Linux 内核中命令行指定的模块的信息。

  • modinfo 能够查询系统中未安装的模块信息。

  • 若模块名不是一个文件名，则会在 /lib/modules/version 目录中搜索，就像 modprobe 一样。

  • modinfo 默认情况下，为了便于阅读，以下面的格式列出模块的每个属性：fieldname : value。

    语法

  • modinfo [选项] [ modulename|filename... ]

    选项

  • -n 只显示模块文件路径

  • -p 显示模块参数

  • -a author

  • -d description

  • -l license

  • -0 使用’\0’字符分隔 field 值，而不是一个新行，对脚本比较有用

    实战演示

    # modinfo ext4 filename: /lib/modules/2.6.32-573.22.1.el6.i686/kernel/fs/ext4/ext4.ko license: GPL description: Fourth Extended Filesystem author: Remy Card, Stephen Tweedie, Andrew Morton, Andreas Dilger, Theodore and others srcversion: CB1B990F5A758DFB0FB12F1 depends: mbcache,jbd2 vermagic: 2.6.32-573.22.1.el6.i686 SMP mod_unload modversions 686 # modinfo btrfs filename: /lib/modules/2.6.32-573.22.1.el6.i686/kernel/fs/btrfs/btrfs.ko license: GPL alias: devname:btrfs-control alias: char-major-10-234 srcversion: B412C18B0F5BF7F1B3C941A depends: libcrc32c,zlib_deflate,lzo_compress,lzo_decompress vermagic: 2.6.32-573.22.1.el6.i686 SMP mod_unload modversions 686

    2.4 modprobe 命令

    装载或卸载内核模块

    命令定义

  • 配置文件/etc/modprobe.conf/etc/modprobe.d/*.conf

  • 解决依赖modprobe需要一个最新的modules.dep文件，可以用depmod来生成该文件列出了每一个模块需要的其他模块，modprobe使用这个去自动添加或删除模块的依赖

    bash

    # modules.dep为解决依赖的配置文件，modules.dep.bin二进制文件运行 # ls /lib/modules/2.6.32-358.6.1.el6.i686/ build modules.block modules.ieee1394map modules.ofmap modules.symbols.bin weak-updates extra modules.ccwmap modules.inputmap modules.order modules.usbmap kernel modules.dep modules.isapnpmap modules.pcimap source modules.alias modules.dep.bin modules.modesetting modules.seriomap updates modules.alias.bin modules.drm modules.networking modules.symbols vdso

    语法

  • modprobe [ -c ]

  • modprobe [ -l ] [ -t dirname ] [ wildcard ]

  • modprobe [ -r ] [ -v ] [ -n ] [ -i ] [ modulename … ]

    选项

  • -v显示程序在干什么，通常在出问题的情况下，modprobe 才显示信息

  • -C重载，默认配置文件(/etc/modprobe.conf 或 /etc/modprobe.d)

  • -c输出配置文件并退出

  • -n可以和 -v 选项一起使用，调试非常有用

  • -i该选项会使得 modprobe 忽略配置文件中的，在命令行上输入的 install 和 remove

  • -q一般 modprobe 删除或插入一个模块时，若没有找到会提示错误。使用该选项，会忽略指定的模块，并不提示任何错误信息。

  • -r该选项会导致 modprobe 去删除，而不是插入一个模块通常没有没有理由去删除内核模块，除非是一些有 bug 的模块

  • -f使用该选项是比较危险的和同时使用 –force-vermagic，–force-modversion 一样

  • -l列出所有模块

  • -a插入所有命令行中的模块

  • -t强制 -l 显示 dirname 中的模块

  • -s错误信息写入 syslog

    2.5 depmod 命令

    内核模块依赖关系文件及系统信息映射文件的生成工具

    语法

  • depmod [-adeisvV][-m <文件>][--help][模块名称]

    参数

  • -a 分析所有可用的模块

  • -d 执行排错模式

  • -e 输出无法参照的符号

  • -i 不检查符号表的版本

  • -m<文件> 使用指定的符号表文件

  • -s 在系统记录中记录错误

  • -v 执行时显示详细的信息

  • -V 显示版本信息

  • --help 显示帮助

    2.6 insmod 和 rmmod 命令

    装载或卸载内核模块

    不解决依赖关系，需要自己手动卸载

    insmod命令

  • 向 Linux 内核中插入一个模块

  • insmod 是一个向内核插入模块的小程序

  • 大多数用户使用 modprobe 因为它比较智能化

  • insmod [ filename ] [ module options... ]

    rmmod命令

  • 命令解析删除内核中的一模块rmmod 是一个可以从内核中删除模块的小程序，大多数用户使用modprobe -r去删除模块

  • 语法格式rmmod [ modulename ]

  • 参数选项-f除非编译内核时 CONFIG_MODULE_FORCE_UNLOAD 被设置该命令才有效果，否则没效果用该选项可以删除正在被使用的模块，设计为不能删除的模块，或者标记为 unsafe 的模块-wrmmod 拒绝删除正在被使用的模块使用该选项后，指定的模块会被孤立起来，直到不被使用-s将错误信息写入 syslog，而不是标准错误(stderr)

    3. /proc 目录

    内核把自己内部状态信息及统计信息，以及可配置参数通过 proc 伪文件系统加以输出。

    # ls /proc/ 1 1173 22 29855 35 47 60 973 filesystems loadavg scsi version 10 12 23 3 36 48 600 buddyinfo fs locks self vmallocinfo 1071 13 232 30 37 49 61 bus interrupts mdstat slabinfo vmstat 1082 14 234 31 38 5 62 cgroups iomem meminfo softirqs xen 1085 15 24 31314 39 528 7 cmdline ioports misc stat zoneinfo 11 16 25 317 4 531 739 cpuinfo irq modules swaps 1150 17 252 318 40 543 8 crypto kallsyms mounts sys 1162 18 253 32 41 56 808 devices kcore mtd sysrq-trigger 1163 19 26 320 42 566 830 diskstats keys net sysvipc 1165 1908 27 33 43 567 853 dma key-users pagetypeinfo timer_list 1167 2 28 330 44 57 9 driver kmsg partitions timer_stats 1169 20 29 334 45 59 94 execdomains kpagecount sched_debug tty 1171 21 29853 34 46 6 95 fb kpageflags schedstat uptime

    3.1 sysctl 命令

    语法格式

  • sysctl(选项)(参数)

    命令参数

  • -n 打印值时不打印关键字

  • -e 忽略未知关键字错误

  • -N 仅打印名称

  • -w 当改变 sysctl 设置时使用此项

  • -p 从配置文件 /etc/sysctl.conf 加载内核参数设置

  • -a 打印当前所有可用的内核参数变量和值

  • -A 以表格方式打印当前所有可用的内核参数变量和值

    默认配置文件

  • /etc/sysctl.conf

    命令使用方式

  • (1) 设置某参数sysctl -w parameter=VALUE

  • (2) 通过读取配置文件设置参数sysctl -p [/path/to/conf_file]

    参数说明

  • 只读：输出信息

  • 可写：可接受用户指定“新值”来实现对内核某功能或特性的配置/proc/sys

    两种修改方式

  • (1) sysctl 命令用于查看或设定此目录中诸多参数sysctl -w path.to.parameter=VALUEsysctl -w kernel.hostname=mail.escapelife.com

  • (2) echo 命令通过重定向的方式也可以修改大多数参数的值echo "VALUE" > /proc/sys/path/to/parameterecho "www.escapelife.com" > /proc/sys/kernel/hostname

    配置文件中常用的几个参数

  • net.ipv4.ip_forward

  • /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

  • vm.drop_caches

  • /proc/sys/vm/drop_caches

  • kernel.hostname

  • /proc/sys/kernel/hostname

    3.2 修改配置文件

    # cat /etc/sysctl.conf # Kernel sysctl configuration file for Red Hat Linux # Controls IP packet forwarding net.ipv4.ip_forward = 0 # Controls source route verification net.ipv4.conf.default.rp_filter = 1 # Do not accept source routing net.ipv4.conf.default.accept_source_route = 0 # Controls the System Request debugging functionality of the kernel kernel.sysrq = 0 # Controls whether core dumps will append the PID to the core filename. # Useful for debugging multi-threaded applications. kernel.core_uses_pid = 1 # Controls the use of TCP syncookies net.ipv4.tcp_syncookies = 1 # Disable netfilter on bridges. net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 0 net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 0 net.bridge.bridge-nf-call-arptables = 0 # Controls the default maxmimum size of a mesage queue kernel.msgmnb = 65536 # Controls the maximum size of a message, in bytes kernel.msgmax = 65536 # Controls the maximum shared segment size, in bytes kernel.shmmax = 4294967295 # Controls the maximum number of shared memory segments, in pages kernel.shmall = 268435456 # Auto-enabled by xs-tools:install.sh net.ipv4.conf.all.arp_notify = 1

    3.3 实战演示

    # 查看所有可读变量 sysctl -a # 修改对应参数 sysctl -w kernel.sysrq=0 sysctl -w kernel.core_uses_pid=1 sysctl -w net.ipv4.conf.default.accept_redirects=0 # 如果希望屏蔽别人 ping 你的主机，配置文件修改 net.ipv4.icmp_echo_ignore_all = 1 # 编辑完成后，请执行以下命令使变动立即生效 /sbin/sysctl -p /sbin/sysctl -w net.ipv4.route.flush=1

    4. /sys 目录

    sysfs 伪文件系统，输出内核识别出的各硬件设备的相关属性信息，也有内核对硬件特性的设定信息。有些参数是可以修改的，用于调整硬件工作特性。

    4.1 udev
  • udev 是运行用户空间程序。

  • udev 通 /sys/ 路径下输出的信息动态为各设备创建所需要设备文件。

  • udev 是 Linux 内核的设备管理器，它取代了 udevadmin 和 hotplug，负责管理 /dev 中的设备节点。

  • udev 也处理所有用户空间发生的硬件添加、删除事件，以及某些特定设备所需的固件加载。

  • udev 为设备创建设备文件时，会读取其事先定义好的规则文件，一般在 /etc/udev/rules.d 及 /usr/lib/udev/rules.d 目录下。

    点击这里查看 ==> Arch Wiki udev

    4.2 ramdisk 文件的制作

    方法一

  • mkinitrd 命令

  • 为当前正在使用的内核重新制作 ramdisk 文件

  • mkinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

    # 移动ramdisk文件到/root目录下 mv /boot/initramfs-2.6.32...img /root # 为当前正在使用的内核重新制作ramdisk文件 mkinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

    方法二

  • dracut 命令

  • 为当前正在使用的内核重新制作 ramdisk 文件

  • dracut /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

    # 移动ramdisk文件到/root目录下 mv /boot/initramfs-2.6.32...img /root # 为当前正在使用的内核重新制作ramdisk文件 dracut /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

    4.3 查看 ramdisk

    # 使用file命令查看ramdisk文件发现是以gz压缩存放的 file /boot/initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img # 改名称，解压 cd /boot/ mv initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img.gz gzip -d initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img.gz # 使用file命令查看发现是以cpio存放的文本文件 file initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img # 解压这个文本文件 # 之后会在initrd目录下生成相应的文件，一个微型的/root mkdir initrd cd initrd cpio -id < ./initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img # 这个时候就可以查看init脚本文件了 cat init # 在sbin文件中存放着相关的命令 ls sbin

    5. 编译内核5.1 前提准备

    (1) 准备好开发环境

  • 包组(CentOS 6)

  • Server Platform Development

  • Development Tools

    (2) 获取目标主机上硬件设备的相关信息

  • CPUcat /proc/cpuinfox86info -alscpu

  • PCI 设备lspci-v-vvlsusb-v-vvlsblk

  • 了解全部硬件设备信息hal-device

    (3) 获取到目标主机系统功能的相关信息

    (4) 获取内核源代码包

  • www.kernel.org

    5.2 简易安装内核

    简易安装

  • 获取当前系统的安装文件作为模块安装较为方便

  • 修改相应的参数即可

  • 只适用于当前特定的内核版本

  • 当前系统的安装文件在 config-2.6.32-504.el6.x86_64

    简单依据模板文件的制作内核

    # 下载对应的Linux内核版本进行解压缩 # 会在/usr/src目录下创建debug、kernels和linux-3.10.67目录 tar xf linux-3.10.67.tar.xz -C /usr/src # 为了方便多内核共存，使用连接指向 # 会在当前目录下创建一个链接文件 linux -> linux-3.10.67 cd /usr/src ln -sv linux-3.10.67 linux # 创建模板 cd linux # 查看链接指向的文件内容 ls # 拷贝系统自带的模板文件 cp /boot/config-$(uname -r) .config # 打开图形界面配置内核选项，选择添加、删除内核模块 # 添加的默认选项来自.config配置文件 make menuconfig # 使用screen来不中断安装 screen # 采用几个线程进行编译 make -j n # 安装内核 make modules_install # make install中将会安装内容 # 安装bzImage为/boot/vmlinuz-VERSION-RELEASE # 生成initramfs文件 # 编辑grub的配置文件 make install # 重启系统，并测试使用新内核，不是默认启动内核 init 6

    5.3 详解编译内核

    (1) 配置内核选项

  • 支持“更新”模式进行配置

  • (a) make config：基于命令行以遍历的方式去配置内核中可配置的每个选项

  • (b) make menuconfig：基于 curses 的文本窗口界面

  • (c) make gconfig：基于 GTK 开发环境的窗口界面

  • (d) make xconfig：基于 Qt 开发环境的窗口界面

  • 支持“全新配置”模式进行配置

  • (a) make defconfig：基于内核为目标平台提供的“默认”配置进行配置

  • (b) make allnoconfig: 所有选项均回答为”no“

    (2) 编译 - make [-j #]

  • 如何只编译内核中的一部分功能

    # (a)只编译某子目录中的相关代码 cd /usr/src/linux make dir/ # (b)只编译一个特定的模块 cd /usr/src/linux make dir/file.ko # 例如：只为e1000编译驱动 make drivers/net/ethernet/intel/e1000/e1000.ko

  • 如何交叉编译内核

    # 编译的目标平台与当前平台不相同； make ARCH=arch_name # 要获取特定目标平台的使用帮助 make ARCH=arch_name help

  • 如何在已经执行过编译操作的内核源码树做重新编译

    # 事先清理操作 # 清理大多数编译生成的文件，但会保留config文件等 make clean # 清理所有编译生成的文件、config及某些备份文件 make mrproper # mrproper、patches以及编辑器备份文件 make distclean

    文章作者: Escape

    文章链接: http://www.escapelife.site/posts/3acaa44c.html