Linux系统内核概述

Linux系统内核概述
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:
https://www.escapelife.site/posts/3acaa44c.html
相关阅读:
基于C#实现的在线聊天室的桌面系统软件
 kubernetes集成GPU原理
 力扣题解26-30
在家中访问一个网站的思考
 RKE2 config containerd private registry (rke2配置私有仓库地址)
Spark面试整理-如何在Spark中进行数据清洗和转换？
flink的计时器
 Kotlin Sealed Class
【青书学堂】 2023年第二学期 JavaScript 基础编程(高起专) 作业
 2022年全球及中国食品干燥设备行业头部企业市场占有率及排名调研报告
原文地址：https://blog.csdn.net/daocaokafei/article/details/128057499

1. 内核简介

2. 内核模块

2.1 uname 命令

2.2 lsmod 命令

2.3 modinfo 命令

2.4 modprobe 命令

2.5 depmod 命令

2.6 insmod 和 rmmod 命令

3. /proc 目录

3.1 sysctl 命令

3.2 修改配置文件

3.3 实战演示

4. /sys 目录

4.1 udev

4.2 ramdisk 文件的制作

4.3 查看 ramdisk

5. 编译内核

5.1 前提准备

5.2 简易安装内核

5.3 详解编译内核