一、linux的內(nèi)核管理：對(duì)內(nèi)核的基本認(rèn)識(shí)

我們所談到的操作系統(tǒng)主要指內(nèi)核

以上功能據(jù)沒有涉及實(shí)現(xiàn)文本編輯、實(shí)現(xiàn)字處理，也沒有服務(wù)等等。

故，操作系統(tǒng)是一種通用軟件，是平臺(tái)類軟件，自己并不做任何工作，只是給其他程序提供了運(yùn)行環(huán)境。除操作系統(tǒng)之外，還有應(yīng)用程序，為實(shí)現(xiàn)某一目的，專門設(shè)計(jì)的程序。

那么，既然內(nèi)核有這么多功能，模塊化設(shè)計(jì)？各功能獨(dú)立成子系統(tǒng)？

顯然將功能整合在一起，內(nèi)核將變得非常復(fù)雜。

二、內(nèi)核的設(shè)計(jì)流派

說說內(nèi)核設(shè)計(jì)的兩大流派：

從根本上講，將一個(gè)事情拆成各個(gè)小問題，然后每個(gè)小問題只復(fù)雜一個(gè)任務(wù)是linux的設(shè)計(jì)哲學(xué)之一。

按道理，linux是微內(nèi)核，但恰恰不是。

三、linux內(nèi)核設(shè)計(jì)

原因：早期設(shè)計(jì)的時(shí)沒有使用微內(nèi)核的思想，linux是一步步擴(kuò)展而來后來，有呼聲，要將linux改為微內(nèi)核，但linus拒絕，能工作能穩(wěn)定的工作，就OK，更重要的是，雖然微內(nèi)核是一種優(yōu)良的設(shè)計(jì)思想，但時(shí)下，他跑起來一點(diǎn)不比單內(nèi)核高效更高級(jí)，但微內(nèi)核有更優(yōu)良的線程，linux則表現(xiàn)一般。

但linux在一步步的發(fā)展中吸取了微內(nèi)核的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，雖然是單內(nèi)核，但是兼具微內(nèi)核的特性。

linux通過使用模塊化內(nèi)核設(shè)計(jì)來兼具微內(nèi)核特性，但這樣的模塊化設(shè)化設(shè)計(jì)并不是像微內(nèi)核一樣是各個(gè)子系統(tǒng)，而是由核心加外圍的功能性模塊組成內(nèi)核。而微內(nèi)核子系統(tǒng)都是各自獨(dú)立運(yùn)行的，不需要依賴其他部分就能工作。而linux各模塊必許依賴核心，只是能在使用時(shí)進(jìn)行裝載，不用時(shí)被動(dòng)態(tài)卸載。linux下的模塊外在表現(xiàn)為類型程序的庫文件，只是程序庫文件為.so，而內(nèi)核模塊為.ko(kernel object),被內(nèi)核調(diào)用。

假設(shè)，如果驅(qū)動(dòng)是內(nèi)核提供的，想象下，編譯好一個(gè)內(nèi)核，裝在主機(jī)上，萬一后來發(fā)現(xiàn)他無法驅(qū)動(dòng)我們后來新添加的新硬件設(shè)備。各種硬件都是由內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的，內(nèi)核沒有提供這個(gè)程序。假設(shè)我們有了驅(qū)動(dòng)程序，怎樣才能讓他驅(qū)動(dòng)起來，是不是從新編譯內(nèi)核，這是對(duì)用戶和廠商的不幸。

模塊化設(shè)計(jì)得以避免這種情況，故各贏家廠商的以模塊化的形式開發(fā)自己的驅(qū)動(dòng)，只需針對(duì)某一特定設(shè)備開發(fā)自己驅(qū)動(dòng)程序的即可，而后我們編譯這些模塊即可。由于linux支持動(dòng)態(tài)裝卸載模塊，因此當(dāng)我需要和不需要某一功能時(shí)，可自行拆卸，并不影響核心的運(yùn)行，這就是好處和優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)之一。

四、內(nèi)核的基本概念

跟各種應(yīng)用程序一樣，內(nèi)核也是一種應(yīng)用程序，只不過，這種應(yīng)用程序是直接操作硬件的。

內(nèi)核直接面對(duì)的是硬件，調(diào)用的是硬件接口，是通過個(gè)硬件廠商和CPU廠商提供的指令集進(jìn)行開發(fā)。

開發(fā)應(yīng)用程序面對(duì)的是內(nèi)核，系統(tǒng)調(diào)用，或庫調(diào)用進(jìn)行的，故簡(jiǎn)單得多。

為編寫內(nèi)核級(jí)的應(yīng)用程序，又為了避免過于底層，固有很多庫文件，可以讓內(nèi)核編譯時(shí)使用。

內(nèi)核是直接面向硬件的，故可用資源權(quán)限很大，但內(nèi)核是工作在有限地址空間內(nèi)的，在linux而言，32位系統(tǒng)上，線性地址空間中，內(nèi)核只認(rèn)為自己有1G的，雖然可以掌握4G，但是自己的運(yùn)行只能使用1G，剩下的3G給其他應(yīng)用程序。win是各2G。故我們開發(fā)內(nèi)核時(shí)可用的內(nèi)存空間很有限，尤其是開發(fā)驅(qū)動(dòng)，要明白自己的可用空間很有限，故需高效。

五、從動(dòng)態(tài)的角度看linux主機(jī)的運(yùn)行狀況

應(yīng)用程序運(yùn)行在內(nèi)核上，只是邏輯上的情況。但實(shí)際是直接工作在硬件上的，任意應(yīng)用程序數(shù)據(jù)都在內(nèi)存中，數(shù)據(jù)處理都是CPU，只是他們不能隨意使用而已，要接受內(nèi)核的管理。

但CPU只有一顆，應(yīng)用程序工作的時(shí)候，內(nèi)核就暫停了，應(yīng)用程序也在內(nèi)存空間中，一旦應(yīng)用程序想要訪問其他硬件資源時(shí)，即要執(zhí)行I/O指令時(shí)，不能執(zhí)行。

因?yàn)閼?yīng)用程序看不見硬件，應(yīng)用程序是基于系統(tǒng)調(diào)用的程序，當(dāng)應(yīng)用程序需要訪問硬件資源時(shí)時(shí)，就向CPU發(fā)起特權(quán)請(qǐng)求，一旦CPU收到特權(quán)請(qǐng)求，CPU就會(huì)喚醒內(nèi)核，從而執(zhí)行內(nèi)核中的某段代碼（非完整的內(nèi)核程序），然后將結(jié)果返回給應(yīng)用程序，而后內(nèi)核代碼退出，內(nèi)核程序暫停。在這期間CPU就從用戶模式轉(zhuǎn)換成了內(nèi)核模式，內(nèi)核模式 就好似能夠執(zhí)行特權(quán)的模式。

所有的應(yīng)用程序時(shí)在硬件上直接執(zhí)行的，只是在必要時(shí)接受內(nèi)核的管理和監(jiān)控。

故內(nèi)核也是監(jiān)控器，監(jiān)控程序，是資源和進(jìn)程的監(jiān)控程序。

六、CPU的時(shí)間與內(nèi)核的空間

因?yàn)閮?nèi)存中每一個(gè)進(jìn)程都以為直接是獨(dú)占CPU的，故內(nèi)核即是將CPU虛擬化，提供給進(jìn)程，CPU在內(nèi)核級(jí)別就已經(jīng)虛擬化了，通過將CPU切成時(shí)間片，隨著時(shí)間流逝而完成在個(gè)進(jìn)程之間分派計(jì)算能力的，CPU是以時(shí)間提供其計(jì)算能力的。

而內(nèi)存是站在空間角度進(jìn)行數(shù)據(jù)容納的。

這就是所謂的時(shí)空轉(zhuǎn)換。

在單位時(shí)間內(nèi)要能夠提供的計(jì)算能力越大，必須速度越快，否則只能延長(zhǎng)時(shí)間。這也就是我們需要更快的CPU，以節(jié)約時(shí)間。

對(duì)于內(nèi)存而言考慮的是空間問題。

六、CPU的運(yùn)算特性

I/O是最慢的設(shè)備，我們CPU有大量時(shí)間都拿來等待I/O完成，為避免空余的沒有任何意義的等待，需要等待時(shí)，就讓CPU運(yùn)行別的進(jìn)程或線程

我們應(yīng)該最大能力榨取CPU的計(jì)算能力，因?yàn)镃PU的計(jì)算能力是隨著時(shí)間時(shí)鐘頻率的振蕩器在震蕩，你用或者不用他都在跑

如果你讓CPU空閑著，他依然耗電，而且隨時(shí)間流逝，計(jì)算能力白白消逝了，因此能夠讓CPU工作在80-90%的利用率下，這就意味著他的生產(chǎn)能力得到了充分的發(fā)揮。CPU是用不壞的，沒有什么磨損很消耗，是電器設(shè)備，除了功率大是發(fā)熱量大，散熱足夠就好了，對(duì)于電器設(shè)備而言不用反而會(huì)壞

七、從硬件看系統(tǒng)啟動(dòng)

內(nèi)核沒有生產(chǎn)力，生產(chǎn)力是由個(gè)被調(diào)用的應(yīng)用程序產(chǎn)生，故我們應(yīng)該盡量讓系統(tǒng)運(yùn)行在應(yīng)用程序模式中，故內(nèi)核占據(jù)的時(shí)間越少越好。而內(nèi)核主要在進(jìn)程切換、中斷處理等相關(guān)功能上，占據(jù)時(shí)間，模式切換到目的也是為了生產(chǎn)完成，但進(jìn)程切換與生產(chǎn)就沒有任何意義了，中斷處理可以認(rèn)為與生產(chǎn)本身相關(guān)，因?yàn)閼?yīng)用要執(zhí)行I/O

內(nèi)核的主要目的是完成硬件管理，而linux中

有一個(gè)思想，各進(jìn)程都是由其父進(jìn)程衍生的，由父進(jìn)程fork()而來的，那么由誰來fork()以及管理這些進(jìn)程，于是有了大管家程序init，統(tǒng)籌管理用戶空間的所有進(jìn)程。用戶空間的管理工作都不會(huì)由內(nèi)核執(zhí)行，故我們啟動(dòng)完內(nèi)核之后，要想啟動(dòng)用戶空間首先需要啟動(dòng)init，故init的PID號(hào)永遠(yuǎn)為1。init也是由其父進(jìn)程fork()而來，是內(nèi)核空間中的用來專門引導(dǎo)用戶空間進(jìn)程的機(jī)制。init是一個(gè)應(yīng)用程序，在/sbin/init下，是一個(gè)可執(zhí)行文件。

審核編輯：黃飛

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