linux内核组成

一、 内核组成

        由进程管理、设备驱动、内存管理、文件系统、网路协议栈、系统调用组成。

1.1 内存管理详情如下

        内存原理；smp/numa模型；页表、页表缓存； cpu缓存； 内存映射；虚拟内存；伙伴分配器；块分配器；巨型页；页回收；页错误异常处理与反碎片技术；连续内存分配原理与实现；内存系统调用；kmalloc/vmalloc；内存池原理与实现；内存优化与实现。

1.2 文件系统详情如下

        虚拟文件系统vfs；通用文件模型；数据结构；文件系统调用；挂在文件系统；无存储文件系统；磁盘文件系统；ext2/ext3/ext4文件系统；日志jbd2；用户空间系统；fuse原理机制、接口实现。

1.3 设备驱动详情如下

         设备子系统；i/o机制原理；设备模型；字符设备子系统；网络接口驱动；linux设备模型；ldm；设备模型和sysfs；字符设备驱动；子设备与次设备；设备文件操作；分配与注册字符设备；写文件操作实现；网卡设备驱动；数据结构；设备方法；驱动程序；块设备驱动；资源管理；i/o调度；bio结构原理；pci总线原理；蓝牙子系统；hci层/连接；l2cap；bnep；蓝牙数据包接受架构。

1.4 网络协议栈详情如下

        网络基础架构

        SKB/net_device；网络层分析；Linux邻近子系统；netlink套接字；iptables套接字；netfilter框架；内核NIC接口分析；mac80211无线子系统；

        网络协议栈

        internet控制消息协议（ICMP）；用户数据报协议（UDP）；传输控制协议TCP；流控制传输协议（SCTP）；数据报拥塞控制协议（DCCP）；组播/策略/多路径路由选择；接收/发送（IPv4/IPv6）数据报；infiniBand栈的架构；系统API调用；POSIX网络API调用；epoll内核原理与实现；网络系统参数配置。

1.5 进程管理详情如下

        进程管理涵盖了进程的基础原理、状态转换、生命周期中的系统调用、通过task_struct数据结构表示，以及进程调度机制，包括调度策略、进程优先级分析和在SMP（对称多处理）环境下的调度优化。

1.6 系统调用详情如下

1.6.1 系统调用的概念与原理

• 用户空间与内核空间：用户空间是应用程序执行的环境，其中的程序不能直接访问底层硬件，而内核空间则是操作系统内核执行的环境，具有对系统硬件和资源的完全访问权限。
• 系统调用的作用：系统调用是用户空间程序与内核空间进行通信的一种方式，提供了一组接口，允许应用程序请求内核执行特权操作，如文件操作、网络通信等。
• 执行过程：当用户空间的程序需要执行一个系统调用时，它会通过软中断（或类似的机制）触发内核空间的执行。内核会根据系统调用的标识符找到相应的内核函数执行特权操作，完成后将结果返回给用户空间。

1.6.2 系统调用的功能

系统调用提供了丰富的功能接口，包括但不限于以下几个方面：

• 文件操作：如打开、关闭、读取、写入文件等。
• 进程控制：如创建新进程、发送信号、等待子进程退出等。
• 内存管理：如内存分配、释放等。
• 网络通信：如建立套接字连接、发送和接收数据等。
• 设备访问：如访问磁盘、网络设备等。

1.6.3 系统调用的实现与接口

• 实现方式：在Linux中，系统调用通常通过C库函数调用，并通过返回值和errno变量指示成功或错误。每个系统调用被赋予一个唯一的系统调用号，用于标识具体的系统调用。
• 接口：系统调用的接口通常是通过软中断号或指令来指定的，用户空间向内核空间传递参数的方式通常是通过寄存器或堆栈。

1.6.4 系统调用的安全性与稳定性

• 安全性：系统调用在用户空间和硬件设备之间添加了一个中间层，通过权限检查等方式确保了系统的安全。
• 稳定性：系统调用提供了标准化的接口，使得应用程序能够以一致的方式与内核进行交互，从而保证了系统的稳定性。

1.6.5 常见的系统调用示例

• open()、close()：打开或关闭文件。
• read()、write()：从文件读取或向文件写入数据。
• fork()：创建一个新进程。
• exec()：执行一个新程序。
• socket()、bind()、listen()、accept()、connect()：网络编程相关的系统调用。

1.6.6 系统调用的性能考虑

• 系统调用涉及到用户态到内核态的切换，这会引入一定的性能开销。因此，在设计应用程序时需要权衡系统调用的次数和性能需求。

1.6.7 Linux内核的系统调用数量

• 随着Linux内核的发展，系统调用的数量也在不断增加。以Linux kernel-5.18.8为例，它包含了440个系统调用，这些系统调用讲究通用性，一旦固定，很少修改，以保证Linux系统的稳定性和兼容性。