一、linux的內核管理：對內核的基本認識

我們所談到的操作系統主要指內核

以上功能據沒有涉及實現文本編輯、實現字處理，也沒有服務等等。

故，操作系統是一種通用軟件，是平臺類軟件，自己并不做任何工作，只是給其他程序提供了運行環境。除操作系統之外，還有應用程序，為實現某一目的，專門設計的程序。

那么，既然內核有這么多功能，模塊化設計？各功能獨立成子系統？

顯然將功能整合在一起，內核將變得非常復雜。

二、內核的設計流派

說說內核設計的兩大流派：

從根本上講，將一個事情拆成各個小問題，然后每個小問題只復雜一個任務是linux的設計哲學之一。

按道理，linux是微內核，但恰恰不是。

三、linux內核設計

原因：早期設計的時沒有使用微內核的思想，linux是一步步擴展而來后來，有呼聲，要將linux改為微內核，但linus拒絕，能工作能穩定的工作，就OK，更重要的是，雖然微內核是一種優良的設計思想，但時下，他跑起來一點不比單內核高效更高級，但微內核有更優良的線程，linux則表現一般。

但linux在一步步的發展中吸取了微內核的設計經驗，雖然是單內核，但是兼具微內核的特性。

linux通過使用模塊化內核設計來兼具微內核特性，但這樣的模塊化設化設計并不是像微內核一樣是各個子系統，而是由核心加外圍的功能性模塊組成內核。而微內核子系統都是各自獨立運行的，不需要依賴其他部分就能工作。而linux各模塊必許依賴核心，只是能在使用時進行裝載，不用時被動態卸載。linux下的模塊外在表現為類型程序的庫文件，只是程序庫文件為.so，而內核模塊為.ko(kernel object),被內核調用。

假設，如果驅動是內核提供的，想象下，編譯好一個內核，裝在主機上，萬一后來發現他無法驅動我們后來新添加的新硬件設備。各種硬件都是由內核驅動的，內核沒有提供這個程序。假設我們有了驅動程序，怎樣才能讓他驅動起來，是不是從新編譯內核，這是對用戶和廠商的不幸。

模塊化設計得以避免這種情況，故各贏家廠商的以模塊化的形式開發自己的驅動，只需針對某一特定設備開發自己驅動程序的即可，而后我們編譯這些模塊即可。由于linux支持動態裝卸載模塊，因此當我需要和不需要某一功能時，可自行拆卸，并不影響核心的運行，這就是好處和優勢表現之一。

四、內核的基本概念

跟各種應用程序一樣，內核也是一種應用程序，只不過，這種應用程序是直接操作硬件的。

內核直接面對的是硬件，調用的是硬件接口，是通過個硬件廠商和CPU廠商提供的指令集進行開發。

開發應用程序面對的是內核，系統調用，或庫調用進行的，故簡單得多。

為編寫內核級的應用程序，又為了避免過于底層，固有很多庫文件，可以讓內核編譯時使用。

內核是直接面向硬件的，故可用資源權限很大，但內核是工作在有限地址空間內的，在linux而言，32位系統上，線性地址空間中，內核只認為自己有1G的，雖然可以掌握4G，但是自己的運行只能使用1G，剩下的3G給其他應用程序。win是各2G。故我們開發內核時可用的內存空間很有限，尤其是開發驅動，要明白自己的可用空間很有限，故需高效。

五、從動態的角度看linux主機的運行狀況

應用程序運行在內核上，只是邏輯上的情況。但實際是直接工作在硬件上的，任意應用程序數據都在內存中，數據處理都是CPU，只是他們不能隨意使用而已，要接受內核的管理。

但CPU只有一顆，應用程序工作的時候，內核就暫停了，應用程序也在內存空間中，一旦應用程序想要訪問其他硬件資源時，即要執行I/O指令時，不能執行。

因為應用程序看不見硬件，應用程序是基于系統調用的程序，當應用程序需要訪問硬件資源時時，就向CPU發起特權請求，一旦CPU收到特權請求，CPU就會喚醒內核，從而執行內核中的某段代碼（非完整的內核程序），然后將結果返回給應用程序，而后內核代碼退出，內核程序暫停。在這期間CPU就從用戶模式轉換成了內核模式，內核模式 就好似能夠執行特權的模式。

所有的應用程序時在硬件上直接執行的，只是在必要時接受內核的管理和監控。

故內核也是監控器，監控程序，是資源和進程的監控程序。

六、CPU的時間與內核的空間

因為內存中每一個進程都以為直接是獨占CPU的，故內核即是將CPU虛擬化，提供給進程，CPU在內核級別就已經虛擬化了，通過將CPU切成時間片，隨著時間流逝而完成在個進程之間分派計算能力的，CPU是以時間提供其計算能力的。

而內存是站在空間角度進行數據容納的。

這就是所謂的時空轉換。

在單位時間內要能夠提供的計算能力越大，必須速度越快，否則只能延長時間。這也就是我們需要更快的CPU，以節約時間。

對于內存而言考慮的是空間問題。

六、CPU的運算特性

I/O是最慢的設備，我們CPU有大量時間都拿來等待I/O完成，為避免空余的沒有任何意義的等待，需要等待時，就讓CPU運行別的進程或線程

我們應該最大能力榨取CPU的計算能力，因為CPU的計算能力是隨著時間時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，而且隨時間流逝，計算能力白白消逝了，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能力得到了充分的發揮。CPU是用不壞的，沒有什么磨損很消耗，是電器設備，除了功率大是發熱量大，散熱足夠就好了，對于電器設備而言不用反而會壞

七、從硬件看系統啟動

內核沒有生產力，生產力是由個被調用的應用程序產生，故我們應該盡量讓系統運行在應用程序模式中，故內核占據的時間越少越好。而內核主要在進程切換、中斷處理等相關功能上，占據時間，模式切換到目的也是為了生產完成，但進程切換與生產就沒有任何意義了，中斷處理可以認為與生產本身相關，因為應用要執行I/O

內核的主要目的是完成硬件管理，而linux中

有一個思想，各進程都是由其父進程衍生的，由父進程fork()而來的，那么由誰來fork()以及管理這些進程，于是有了大管家程序init，統籌管理用戶空間的所有進程。用戶空間的管理工作都不會由內核執行，故我們啟動完內核之后，要想啟動用戶空間首先需要啟動init，故init的PID號永遠為1。init也是由其父進程fork()而來，是內核空間中的用來專門引導用戶空間進程的機制。init是一個應用程序，在/sbin/init下，是一個可執行文件。

審核編輯：黃飛

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