Linux內(nèi)核的作用

一、前言

Linux操作系統(tǒng)是當(dāng)今世界上最為廣泛使用的開源操作系統(tǒng)之一，內(nèi)核則是一個操作系統(tǒng)的核心和靈魂所在。對于一名Linux驅(qū)動開發(fā)者來說，了解Linux內(nèi)核的運行機(jī)制和Linux內(nèi)核提供的一些關(guān)鍵功能（如虛擬內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等）都是我們?nèi)粘９ぷ骱蛯W(xué)習(xí)的重點。

今天就從宏觀的角度來給大家分享一下Linux內(nèi)核在Linux系統(tǒng)中到底處于一個什么樣的地位，以及我們應(yīng)該如何學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核？

二、Linux內(nèi)核的作用

Linux內(nèi)核的功能主要是將應(yīng)用層請求傳遞給硬件，并作為底層驅(qū)動程序，以尋址系統(tǒng)中的各種設(shè)備和組件。下面從幾個不同的角度簡單的總結(jié)一下Linux內(nèi)核的作用：

從技術(shù)層面講，內(nèi)核是硬件與軟件之間的一個中間層。作用是將應(yīng)用層序的請求傳遞給硬件，并充當(dāng)?shù)讓域?qū)動程序，對系統(tǒng)中的各種設(shè)備和組件進(jìn)行尋址。

從應(yīng)用程序的層面講，應(yīng)用程序與硬件沒有聯(lián)系，只與內(nèi)核有聯(lián)系，內(nèi)核是應(yīng)用程序知道的層次中的最底層。在實際工作中內(nèi)核抽象了相關(guān)細(xì)節(jié)。

內(nèi)核是一個資源管理程序。負(fù)責(zé)將可用的共享資源(CPU時間、磁盤空間、網(wǎng)絡(luò)連接等)分配得到各個系統(tǒng)進(jìn)程。

內(nèi)核就像一個庫，提供了一組面向系統(tǒng)的命令。系統(tǒng)調(diào)用對于應(yīng)用程序來說，就像調(diào)用普通函數(shù)一樣。

通過上面的介紹我們知道了Linux內(nèi)核是鏈接硬件和上層應(yīng)用的橋梁，通過這個橋梁我們可以直接在上層完成對硬件的操作。這么看來Linux內(nèi)核其實更像是一個管家，這個管家統(tǒng)籌管理這我們系統(tǒng)的所有資源，你有什么請求只需要告訴這個管家即可，而不用去關(guān)心這件事情到底是怎么完成的。

為了使得這個“管家”更好的管理我們的系統(tǒng)資源，Linux內(nèi)核中內(nèi)注入了以下幾個功能：

系統(tǒng)管理： Linux內(nèi)核負(fù)責(zé)管理計算機(jī)硬件資源，包括處理器、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)絡(luò)等。它與系統(tǒng)的其他部分（如驅(qū)動程序和系統(tǒng)庫）協(xié)同工作，確保良好的資源分配和管理。

進(jìn)程管理： Linux內(nèi)核實現(xiàn)了進(jìn)程管理機(jī)制，控制和調(diào)度各個運行的程序。它負(fù)責(zé)創(chuàng)建、銷毀和切換進(jìn)程，確保系統(tǒng)資源的合理利用，并提供進(jìn)程間通信和同步機(jī)制。

文件系統(tǒng)： Linux內(nèi)核支持多種文件系統(tǒng)，如Ext4、Btrfs、XFS等，負(fù)責(zé)管理和操作文件和目錄。它提供了強(qiáng)大的文件權(quán)限、安全性以及數(shù)據(jù)完整性保護(hù)機(jī)制。

設(shè)備驅(qū)動程序： Linux內(nèi)核用于管理和控制硬件設(shè)備，通過設(shè)備驅(qū)動程序與各種設(shè)備進(jìn)行交互。它為各類硬件提供支持，如顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤、網(wǎng)絡(luò)接口等，使得這些設(shè)備能夠在Linux系統(tǒng)上正常運行。

除了上面的幾個重要部分外Linux內(nèi)核還提供了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、虛擬化技術(shù)和容器、安全機(jī)制等技術(shù)。所以Linux內(nèi)核是Linux系統(tǒng)的重要組成部分，也是Linux系統(tǒng)必不可少的存在。

三、驅(qū)動開發(fā)為什么要學(xué)習(xí)內(nèi)核

通過上面的介紹我們知道驅(qū)動開發(fā)其實也屬于內(nèi)核開發(fā)的一部分，驅(qū)動的作用也是處理上層發(fā)送的請求，并傳遞給硬件。所以作為一名驅(qū)動開發(fā)工程師我們不但要學(xué)習(xí)如何編寫Linux驅(qū)動程序，還要熟悉Linux內(nèi)核的運行機(jī)制是非常重要的。

我認(rèn)為作為一名驅(qū)動開發(fā)工程師之所以需要學(xué)習(xí)和熟悉Linux內(nèi)核主要出于以下幾點考慮：

3.1 理解系統(tǒng)底層機(jī)制與架構(gòu)

Linux內(nèi)核是一個復(fù)雜而龐大的項目，它涵蓋了各種子系統(tǒng)、模塊和設(shè)備驅(qū)動程序。作為一個驅(qū)動開發(fā)工程師，理解Linux內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)和機(jī)制可以讓你更熟悉操作系統(tǒng)的底層工作原理。這包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等。了解這些底層機(jī)制可以幫助我們更好地編寫高效且穩(wěn)定的設(shè)備驅(qū)動程序。

3.2 與內(nèi)核接口進(jìn)行交互

驅(qū)動開發(fā)工程師經(jīng)常需要與Linux內(nèi)核中的各種接口進(jìn)行交互，以實現(xiàn)設(shè)備的初始化、配置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?。學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核知識可以幫助我們理解這些接口的使用方法和特點。例如，了解設(shè)備模型和總線框架可以幫助你構(gòu)建設(shè)備驅(qū)動程序；了解字符設(shè)備和塊設(shè)備接口可以幫助你進(jìn)行輸入輸出操作。

3.3 故障排查和錯誤調(diào)試

在驅(qū)動開發(fā)過程中，經(jīng)常會遇到各種故障和錯誤。這可能涉及設(shè)備初始化失敗、數(shù)據(jù)傳輸錯誤、性能下降等問題。熟悉Linux內(nèi)核可以幫助我們更有效地進(jìn)行故障排查和錯誤調(diào)試。我們可以使用內(nèi)核日志、調(diào)試工具和跟蹤技術(shù)來定位問題，并深入了解內(nèi)核中相關(guān)模塊的行為。這樣能夠快速識別和解決問題，提高驅(qū)動程序的質(zhì)量和可靠性。

3.4 驅(qū)動程序優(yōu)化與性能提升

學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核知識有助于掌握一些高級技術(shù)和最佳實踐，以優(yōu)化驅(qū)動程序的性能。Linux內(nèi)核提供了豐富的功能和特性，如中斷處理、內(nèi)存管理、數(shù)據(jù)緩存、并發(fā)控制等機(jī)制。了解這些機(jī)制可以更好地利用內(nèi)核資源，減少不必要的開銷，并提高驅(qū)動程序的性能，使你能夠編寫更高效、可擴(kuò)展和可維護(hù)的驅(qū)動程序。

四、需要學(xué)習(xí)內(nèi)核哪些知識

為了更好地編寫驅(qū)動程序，我在這里給大家推薦幾個內(nèi)核需要學(xué)習(xí)的方向，首先就是系統(tǒng)級別的進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)等知識。

進(jìn)程管理進(jìn)程管理的重點是進(jìn)程的執(zhí)行。它的作用是調(diào)度控制系統(tǒng)中的多個進(jìn)程對CPU 的訪問，使得多個進(jìn)程能在CPU 中微觀串行，宏觀并行地執(zhí)行。進(jìn)程調(diào)度處于系統(tǒng)的中心位置，內(nèi)核中其他的子系統(tǒng)都依賴它，因為每個子系統(tǒng)都需要掛起或恢復(fù)進(jìn)程。

內(nèi)存管理它主要提供對內(nèi)存資源的訪問控制。Linux系統(tǒng)會在硬件物理內(nèi)存和進(jìn)程所使用的內(nèi)存（稱作虛擬內(nèi)存）之間建立一種映射關(guān)系，這種映射是以進(jìn)程為單位，因而不同的進(jìn)程可以使用相同的虛擬內(nèi)存，而這些相同的虛擬內(nèi)存，可以映射到不同的物理內(nèi)存上。

虛擬文件系統(tǒng)隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，存儲和組織數(shù)據(jù)的方法也是在不斷進(jìn)步的，從而導(dǎo)致有多種類型的文件系統(tǒng)（如：FAT、FAT32）。而為了兼容，操作系統(tǒng)或者內(nèi)核，要以相同的表現(xiàn)形式，同時支持多種類型的文件系統(tǒng)，這就延伸出了虛擬文件系統(tǒng)（VFS）的概念。VFS的功能就是管理各種各樣的文件系統(tǒng)，屏蔽它們的差異，以統(tǒng)一的方式，為用戶程序提供訪問文件的接口。

網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)在Linux內(nèi)核中主要負(fù)責(zé)管理各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，最終實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)連接其它系統(tǒng)的功能。

五、學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核誤區(qū)

學(xué)內(nèi)核最難的就是不知道從哪里開始學(xué)，這讓新手感到很困惑，想學(xué)會但不知道如何下手。一方面又希望自己能學(xué)懂，但是又不知道如何開始入手。這里給大家簡單介紹一下我們在學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核的過程中容易踩的坑。

我列舉幾個常見的例子：

1、初學(xué)者學(xué)習(xí)內(nèi)核容易產(chǎn)生的誤區(qū)上來就看內(nèi)核源碼，結(jié)果完全看不懂，學(xué)習(xí)兩天就放棄了。

2、抓住一本書就開始啃，比如《深入Linux內(nèi)核架構(gòu)》，看了兩天完全不知所云，即使有些能理解了，但是也沒記住，結(jié)果看了兩天也是放棄了?？磿梢詮囊恍┫到y(tǒng)性的教程或者指南開始，逐步增加難度

3、對某個知識容易鉆牛角尖，剛開始就想一口氣把一個知識點弄懂，抓住一個知識點往死里啃。這種做法可能會讓你陷入一個死胡同，因為有些知識點需要通過多個方面來理解，而不是僅僅通過一個方面

還有很多類似的問題，這些問題在初學(xué)階段其實很常見。我們學(xué)習(xí)的時候要注意學(xué)習(xí)方法，不要隨便挑選難度太高的內(nèi)容，學(xué)習(xí)要循序漸進(jìn)。

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　　審核編輯：湯梓紅