Linux kernel 介绍

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专栏文章
  1. Linux kernel 介绍(当前)
  2. 如何快速的将Centos6.7快速升级3.10.9
  3. Centos7 切换内核
  4. Linux kernel 内核模块编译、装载和卸载
  5. 从源码编译内核 linux-5.15.16 并制作基于 KVM 的 busybox 镜像
  6. Linux Kernel 源码介绍

Linux kernel 介绍

D-Bus

D-Bus 最初由 freedesktop.orgLinux 而开发的 进程之间通信IPC远程控制RPC,用一个统一的协议取代当时的 进程通信

  • D-Bus 也被设计成允许系统级进程(例如打印机、硬件驱动程序服务)和普通进程之间的通信。
  • D-Bus 采用二进制消息传递,所以非常快开销小,特别适合同一台主机通信

kworker

kworker(Linux Kernel Worker)是内核 3.x 引入的工作线程占位符进程,它实际上执行内核的大部分工作,如中断、计时器、I/O等,CPU 中 system时间 大部分由此产生。在系统中,一般会出现多个 kworker 进程,kworker 进程有时会占用大量的 iocpu,格式:

kworker/%u:%d%s

说明:

  • u(unbound) 表示没有绑定特定的CPU,如 kworker/u256:2-events_power_efficient

进程

0 进程是 Scheduler 1 进程是 init/systemd(user thread的父进程) 2 进程是 [kthreadd](kernel thread的父进程)

$ ps -eaf
UID          PID    PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root           1       0  0 Jun17 ?        00:00:18 /sbin/init splash
root           2       0  0 Jun17 ?        00:00:00 [kthreadd]
...
$ ls -lhart /sbin/init
lrwxrwxrwx 1 root root 20 Jan 10 12:56 /sbin/init -> /lib/systemd/systemd

init 进程是 Linux 运行的第一个进程,是其它所有进程的父进程,主要作用:初始化系统和等待清理子进程(孤儿进程)

kernel 文件

  • vmlinux:一个非压缩的,静态链接的,可执行的,且不能 bootable 的 Linux kernel 文件。是用来生成 vmlinuz 的中间步骤。路径:/sys/kernel/btf/vmlinux
  • vmlinuz:一个压缩的,能 bootable 的 Linux kernel 文件。vmlinuz 是 Linux kernel 文件的历史名字,它实际上就是 zImagebzImage
$ file /boot/vmlinuz-5.13.0-27-generic
/boot/vmlinuz-5.13.0-27-generic: Linux kernel x86 boot executable bzImage, version 5.13.0-27-generic (buildd@lgw01-amd64-045) #29~20.04.1-Ubuntu SMP Fri Jan 14 00:32:30 UTC 2022, RO-rootFS, swap_dev 0x9, Normal VGAs
  • zImage:仅适用于 640k 内存的 Linux kernel 文件
  • bzImage:Big zImage,适用于更大内存的 Linux kernel 文件。实际的内核启动文件

Kernel 启动过程

BIOS -> 引导扇区 boot.img -> diskboot.img -> 建立分段分页 -> 选择OS:kernel.img -> 启动内核

设备号

$ ls -lt /dev/
total 0                       # major minor
crw-rw-rw-  1 root       tty       5,   2 Jan 27 23:45 ptmx
brw-rw----  1 root       disk      7,  14 Jan 27 23:09 loop14
crw-rw-rw-  1 root       tty       5,   0 Jan 27 22:53 tty
crw--w----  1 root       tty       5,   1 Jan 27 22:37 console
crw--w----  1 xiexianbin tty       4,   2 Jan 27 22:37 tty2
crw-rw----+ 1 root       kvm      10, 232 Jan 27 20:59 kvm
...

设备号的组成:

  • major : 设备所使用的驱动,可以在 /proc/devices 中查看到,如下:
  • minor : 具体的设备
$ cat /proc/devices
Character devices:
  1 mem
  4 /dev/vc/0
  4 tty
  4 ttyS
  5 /dev/tty
...

Block devices:
  7 loop
  8 sd
...

CPU 的作用

实际上,在 Linux 中,CPU 在任何时刻都在做以下三件事中的一件:

  • 在用户空间中,在进程中执行用户代码
  • 在内核空间中,在进程上下文中,代表一个特定的进程执行
  • 在内核空间中,在中断上下文中,不与进程关联,处理一个中断

信号量

  • kernel 中信号量(struct semaphore)对临界区代码访问是原子的,用于解决不同进程对通信资源访问的同步问题
  • 信号量涉及进程调度,会存在比较大的开销
  • 原子变量(struct atomic_t)适用于针对 int 变量进行同步的场景

端口

  • ip_local_port_range:Linux 临时端口范围,用于定义网络连接可用作其源(本地)端口的最小和最大端口的限制,同时适用于TCP和UDP连接
$ cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
32768	60999

临时修改:

sudo sysctl -w net.ipv4.ip_local_port_range="1024 64000"

永久性修改:

在文件 /etc/sysctl.conf 添加如下内容:

net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535
  • ip_local_reserved_ports: 预留端口避免被其他程序占用

悲观锁

总是假设最坏的情况,每次访问数据的时候都认为别的程序会修改,因此访问数据前先加锁。程序只有拿到锁时才能访问数据,否则一直处于等待状态。

适用场景:并发冲突概率高的场景,如传统关系型数据库的各种锁:表锁、行锁、读锁、写锁等。

缺点:

  • 开销大
  • 加锁、解锁需要CPU时间
  • 并发性底

乐观锁

适用场景:并发量比较大的业务场景

缺点:

  • 实现复杂,需要版本号控制机制或CAS算法

eBPF

eBPF 是内核的一个可编程虚拟机,广泛应用于网络报文的过滤、重定向、性能统计等,应用场景广泛。

特点:

  • 灵活、易扩展
  • 安全
  • 内核互动(定制逻辑)
  • 高性能

参考

  1. https://www.kernel.org/doc/html/latest/translations/zh_CN/process/1.Intro.html
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