解密:Linux内核是如何工作的 - 全文

本文发表于Linux Format magazine杂志，作者从技术深度上解释了Linux Kernel是如何工作的。相信对Linux开发者来说有不小的帮助。

牛津字典中对"kernel"一词的定义是："较软的、通常是一个坚果可食用的部分。"当然还有第二种定义："某个东西核心或者最重要的部分。"对Linux来说，它的Kernel无疑属于第二种解释。让我们来看看这个重要的东西是如何工作的，先从一点理论说起。

广义地来说kernel就是一个软件，它在硬件和运行在计算机上的应用程序之间提供了一个层。严格点从计算机科学的角度来说，Linux中的Kernel指的是Linus Torvalds在90年代初期写的那点代码。

    所有的你在Linux各版本中看到的其他东西--Bash shell、KDE窗口管理器、web浏览器、X服务器、Tux Racer以及所有的其他，都不过是运行在Linux上的应用而已，而不是操作系统自身的一部分。为了给大家一个更加直观的感觉，我来举个例子，比如RHEL5的安装大概要占据2.5GB的硬盘空间（具体多大当然视你的选择安装来定），在这其中，kernel以及它的各个模块组件，只有47MB，所占比例约为2%。

在kernel内部

那么kernel到底是如何工作的呢?如下面的图表。Kernel通过许多的进入端口也就是我们从技术角度所说的系统调用，来使得运行在它上面的应用程序可用。Kernel使用的系统调用比如"读"和"写"来提供你硬件的抽象（abstraction）。

#FormatImgID_0#

从程序员的视角来看，这些看起来只是普通的功能调用，然而实际上系统调用在处理器的操作模式上，从用户空间到Kernel空间有一个明显的切换。同时，系统调用提供了一个"Linux虚拟机"，可以被认为是对硬件的抽象。

Kernel提供的更明显的抽象之一是文件系统。举例来说，这里有一段短的程序是用C写的，它打开了一个文件并将内容拷贝到标准的输出：

#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);
}

    在这里，你可以看到四个系统调用的例子：打开、读、写和关闭。不谈这段程序语法的细节，重点是：通过这些系统调用Linux Kernel提供了一个文件的"错觉"，而实际上它不过是一堆数据有了个名字，这样一来你就不必去与硬件底层的堆栈、分区、头和指针、分区等交涉了，而是直接以例子中的方式与硬件"交流"，这也就是我们所说的抽象（abstraction），将底层的东西以更易懂的方式表达出来。

台前幕后

系统文件是Kernel提供的较为明显的一种抽象。还有一些特性不是这么的明显，比如进程调度。任何一个时间，都可能有好几个进程或者程序等待着运行。Kernel的时间调度给每个进程分配CPU时间，所以就一段时间内来说，我们会有种错觉：电脑同一时间运行好几个程序。这是另外一个C程序：

#include
main()
{
  if (fork()) {
    write(1, "Parent\n", 7);
    wait(0);
    exit(0);
  }
  else {
    write(1, "Child\n", 6);
    exit(0);
  }
}
    
在这个程序中创建了一个新进程，而原来的进程（父进程）和新进程（子进程）都编写了标准输出然后结束。注意系统调用fork(), exit() 以及 wait()执行程序的创建、结束和各自同步。这是进程管理和调度中最典型的简单调用。

Kernel还有一个更加不易见到的功能，连程序员都不易察觉，那就是存储管理。每个程序运行得都好像它有个自己的地址空间来调用一样，实际上它跟其他进程一样共享计算机的物理存储，如果系统运行的存储过低，它的地址空间甚至会被磁盘的交互区暂时寄用。存储管理的另外一个方面是防止一个进程访问其他进程的地址空间--对于多进程操作系统来说这是很必要的一个防范措施。

Kernel同样还配置网络链接协议比如IP、TCP和UDP等，它们在网络上提供机器对机器（machine-to-machine）和进程对进程（process-to-process）的通信。这里又会造成一种假象，即TCP在两个进程之间提供了一个固定连接--就好像连接两个电话的铜线一样，实际中却并没有固定的连接，特殊的引用协议比如FTP、DNS和HTTP是通过用户级程序来实施的，而并非Kernel的一部分。

Linux（像之前的Unix）在安全方面口碑很好，这是因为Kernel跟踪记录了每个运行进程的user ID和group ID，每次当一个应用企图访问资源（比如打开一个文件来写入）的时候，Kernel就会核对文件上的访问许可然后做出允许/禁止的命令。这种访问控制模式最终对整个Linux系统的安全作用很大。

Kernel还提供了一大套模块的集合，其功能包括如何处理与硬件设备交流的诸多细节、如何从磁盘读取一个分区、如果从网络接口卡获取数据包等。有时我们称这些为设备驱动。

模块化的Kernel

现在我们队Kernel是做什么的已经有了一些了解，让我们再来简单看下它的物理组成。早期版本的Linux Kernel是整体式的，也就是说所有的部件都静态地连接成一个（很大的）执行文件。

相比较而言，现在的Linux Kernel是模块化的：许多功能包含在模块内，然后动态地载入kernel中。这使得kernel的内核很小，而且在运行kernel时可以不必reboot就能载入和替代模块。

Kernel的内核在boot time时从位于/boot 目录的一个文件加载进存储中，通常这个/boot 目录会被叫做KERNELVERSION，KERNELVERSION与kernel版本有关。（如果你想知道你的kernel版本是什么，运行命令行显示系统信息-r。）kernel的模块位于目录/lib/modules/KERNELVERSION之下，所有的组件都会在kernel安装时被拷贝。

管理模块

大部分情况下，Linux管理它的模块不需要你的帮忙，但是如果必要的时候有命令行可以来手动检查和管理模块。比如，为了查清楚当前到底哪个模块在载入kernel。这里有一个输出的例子：

# 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 

输出的内容包括：模块的名字、大小、使用次数和依赖于它的模块列表。使用次数对防止卸载当前活跃的模块非常总要。Linux只允许使用次数为零的模块被移除。

你可以使用modprobe来手动加载和卸载模块，（还有两个命令行叫做insmod和rmmod，但modprobe更易于使用因为它自动移除了模块依赖）。比如lsmod的输出在我们的电脑上显示了一个名叫isofs的卸载模块，它的使用次数是零而且没有依赖模块，（isofs是一个模块，它支持CD上使用的ISO系统文件格式）这种情况下，kernel会允许我们卸载模块：

# modprobe -r isofs

现在，isofs不再显示在Ismod的输出中，kernel由此节省了36,284字节的存储。如果你放入CD并且让它自动安装，kernel将自动重新载入isofs模块，而且isofs的使用次数增加到1次。如果这时候你还试图移除模块，就不会成功了因为它正在被使用：

# modprobe -r isofs 
FATAL: Module isofs is in use.
    
Lsmod只是列出了当前被载入的模块，modprobe则将列出所有可用的模块，它实际上输出了/lib/modules/KERNELVERSION目录下所有的模块，名单会很长！

实际上，使用modprobe来手动加载一个模块并不常见，但确实可以通过modprobe命令行来对模块设置参数，例如：

# modprobe usbcore blinkenlights=1

我们并不是在创建blinkenlights，而是usbcore模块的实参数。

那么如何知道一个模块会接受什么参数呢？一个比较好的方法是使用modinfo命令，它列出了关于模块的种种信息。这里有一个关于模块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

对我们来说比较有兴趣的以"parm"开头的那些部分：显示了模块所接受的参数。这些描述都比较简明，如果想要更多的信息，那就安装kernel的源代码，在类似于/usr/src/KERNELVERSION/Documentation的目录下你会找到。

里面会有一些有趣的东西，比如文件/usr/src/KERNELVERSION/Documentation/sound/alsa/ALSA-Configuration.txt描述的是被许多ALSA声音模块承认的参数；/usr/src/KERNELVERSION/Documentation/kernel-parameters.txt这个文件也很有用。

前几天在Ubuntu论坛有一个例子，说的是如何将参数传递到一个模块（详见https://help.ubuntu.com/community/HdaIntelSoundHowto）。实际上问题的关键是snd-hda-intel参数在正确驱动声音硬件时需要一点操作，而且在boot time加载时会中止。解决方法的一部分是将probe_mask=1选项赋给模块，如果你是手动加载模块，你需要输入：

# modprobe snd-hda-intel probe_mask=1

更有可能，你在文件/etc/modprobe.conf中放置这样类似的一行：options snd-hda-intel probe_mask=1

这"告诉"modprobe每次在加载snd-hda-intel模块时包含probe_mask=1选项。现在的有些Linux版本将这一信息分离进/etc/modprobe.d下的不同文件中了，而不是放入modprobe.conf中。

/proc系统文件

Linux kernel同样通过/proc系统文件来展示了许多细节。为了说明/proc，我们首先需要扩展我们对于文件的理解。除了认为文件就是存储在硬盘或者CD或者存储空间上的持久信息之外，我们还应当把它理解为任何可以通过传统系统调用如：打开、读、写、关闭等访问的信息，当然它也可以被常见的程序访问。

/proc之下的"文件"完全是kernel虚拟的一个部分，给我们一个视角可以看到kernel内部的数据结构。实际上，许多Linux的报告工具均能够很好地呈现在/proc下的文件中寻到的格式化版本的信息。比如，一列/proc/modules将展示一列当前加载的模块。

同样的，/proc/meminfo提供了关于虚拟存储系统当前状态的更多细节信息，而类如vmstat的工具则是以一种更加可理解的方式提供了相同的一些信息；/proc/net/arp显示了系统ARP cache的当前内容，从命令行来说，arp -a显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下的设置告诉我们kernel是否将转发IP数据包，也就是说是否扮演网关的作用。现在，kernel告诉我们这是关闭的：

# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 
0

当你发现你可以对这些文件写入的时候，你会觉得更加有意思。继续举例来说：

# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

将在运行的kernel中打开IP 转发（IP forwarding）

除了使用cat和echo来检查和更正/proc/sys下的设置以外，你也可以使用sysctl命令：

# sysctl net.ipv4.ip_forward 
net.ipv4.ip_forward = 0

这等同于：
# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 
0

也等同于：
# sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
net.ipv4.ip_forward = 1

还等同于：
# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
    

需要注意的是，以这种方式你所做的设置改变只能影响当前运行的kernel的，当reboot的时候就不再有效。如果想让设置永久有效，将它们放置在/etc/sysctl.conf文件中。在boot time时，sysctl将自动重新确定它在此文件下找到的任何设置。

/etc/sysctl.conf下的代码行大概是这样的：net.ipv4.ip_forward=1

  性能调优（performance tuning）

有这样一个说法：/proc/sys下可写入的参数孕育了整个Linux性能调优的亚文化。我个人觉得这种说法有点过夸，但这里会有几个你确实很想一试的例子：Oracle 10g的安装说明（www.oracle.com/technology/obe/obe10gdb/install/linuxpreinst/linuxpreinst.htm）要求你设置一组参数，包括：kernel.shmmax=2147483648 这将公用存储器的大小设置为2GB。（公用存储器是处理期内的通信机制，允许存储单元在多个进程的地址空间内同时可用）

IBM 'Redpaper'在Linux性能和调优方面的说明（www.redbooks.ibm.com/abstracts/redp4285.html）在调教/proc/sys下的参数方面给出了不少建议，包括：vm.swappiness=100 这个参数控制着存储页如何被交换到磁盘。

一些参数可以被设置从而提高安全性，如net.ipv4.icmp_echo_ignore_broadcasts=1 它"告诉"kernel不必响应ICMP请求，从而使得你的网络免受类如Smurf攻击之类的拒绝服务器（denial-of-service）型攻击。
net.ipv4.conf.all.rp_filter=1 则是"告诉"kernel加强入站过滤（ingress filtering）和出站过滤（egress filtering）

那么有没有一个说明能涵盖这所有的参数？好吧，这有一行命令：# sysctl -a 它将展示所有的参数名字和当前值。列表很长，但是你无法知道这些参数是做什么的。另外比较有用的参考是Red Hat Enterprise Linux Reference Guide.