Linux 系统内核概述

Linux 内核是一种开源的类 Unix 操作系统宏内核。

Linux 内核是 Linux 操作系统的主要组件，也是计算机硬件与其进程之间的核心接口。它负责两者之间的通信，还要尽可能高效地管理资源。之所以称为内核，是因为它在操作系统中就像果实硬壳中的种子一样，并且控制着硬件的所有主要功能。内核的用途主要有以下 4 项工作：

• 内存管理：追踪记录有多少内存存储了什么以及存储在哪里
• 进程管理：确定哪些进程可以使用中央处理器、何时使用以及持续多长时间
• 设备驱动程序：充当硬件与进程之间的调解程序/解释程序
• 系统调用和安全防护：从流程接受服务请求

在正确实施的情况下，内核对于用户是不可见的，它在自己的小世界(称为内核空间)中工作，并从中分配内存和跟踪所有内容的存储位置。用户所看到的内容则被称为用户空间。这些应用通过系统调用接口(SCI)与内核进行交互。

Linux系统内核概述

1. 内核简介

单内核体系设计、但充分借鉴了微内核设计体系的优点，为内核引入模块化机制。

Linux 内核的重要组成部分，主要有以下几部分：

• kernel

• • 内核核心，一般为 bzImage
  • 通常在 /boot 目录下，名称为 vmlinuz-VERSION-RELEASE

• kernel object

• • 内核对象，一般放置于 /lib/modules/VERSION-RELEASE/
  • [ ] ==> N ==> 不编译进内核
  • [M] ==> M ==> 编译为模块文件
  • [*] ==> Y ==> 编译进内核

• 辅助文件(ramdisk)

• • initrd
  • initramfs

2. 内核模块

2.1 uname 命令

使用格式

• uname [OPTION]...

参数解释

• -n 显示节点名称
• -r 显示VERSION-RELEASE
• -s 内核名称
• -v 内核版本
• -n 节点名
• -m 硬件名称
• -i 硬件平台
• -p 处理器类型
• -o 操作系统

2.2 lsmod 命令

显示由核心已经装载的内核模块

命令定义

• 显示的内容来自于: /proc/modules 文件。
• 使用 lsmod 命令时，常会采用类似 lsmod | grep -i ext4 这样的命令来查询系统是否加载了某些模块。

字段含义

• 第 1 列：表示模块的名称
• 第 2 列：表示模块的大小
• 第 3 列：表示依赖模块的个数
• 第 4 列：表示依赖模块的内容

2.3 modinfo 命令

显示模块的详细描述信息

命令定义

• modinfo 列出 Linux 内核中命令行指定的模块的信息。
• modinfo 能够查询系统中未安装的模块信息。
• 若模块名不是一个文件名，则会在 /lib/modules/version 目录中搜索，就像 modprobe 一样。
• modinfo 默认情况下，为了便于阅读，以下面的格式列出模块的每个属性：fieldname : value。

语法

• modinfo [选项] [ modulename|filename... ]

选项

• -n 只显示模块文件路径
• -p 显示模块参数
• -a author
• -d description
• -l license
• -0 使用’\0’字符分隔 field 值，而不是一个新行，对脚本比较有用

实战演示

2.4 modprobe 命令

装载或卸载内核模块

命令定义

• 配置文件

• • /etc/modprobe.conf
  • /etc/modprobe.d/*.conf

• 解决依赖

• • modprobe需要一个最新的modules.dep文件，可以用depmod来生成
  • 该文件列出了每一个模块需要的其他模块，modprobe使用这个去自动添加或删除模块的依赖

语法

• modprobe [ -c ]
• modprobe [ -l ] [ -t dirname ] [ wildcard ]
• modprobe [ -r ] [ -v ] [ -n ] [ -i ] [ modulename … ]

选项

• -v

• • 显示程序在干什么，通常在出问题的情况下，modprobe 才显示信息

• -C

• • 重载，默认配置文件(/etc/modprobe.conf 或 /etc/modprobe.d)

• -c

• • 输出配置文件并退出

• -n

• • 可以和 -v 选项一起使用，调试非常有用

• -i

• • 该选项会使得 modprobe 忽略配置文件中的，在命令行上输入的 install 和 remove

• -q

• • 一般 modprobe 删除或插入一个模块时，若没有找到会提示错误。使用该选项，会忽略指定的模块，并不提示任何错误信息。

• -r

• • 该选项会导致 modprobe 去删除，而不是插入一个模块
  • 通常没有没有理由去删除内核模块，除非是一些有 bug 的模块

• -f

• • 使用该选项是比较危险的
  • 和同时使用 –force-vermagic，–force-modversion 一样

• -l

• • 列出所有模块

• -a

• • 插入所有命令行中的模块

• -t

• • 强制 -l 显示 dirname 中的模块

• -s

• • 错误信息写入 syslog

2.5 depmod 命令

内核模块依赖关系文件及系统信息映射文件的生成工具

语法

• depmod [-adeisvV][-m <文件>][--help][模块名称]

参数

• -a 分析所有可用的模块
• -d 执行排错模式
• -e 输出无法参照的符号
• -i 不检查符号表的版本
• -m<文件> 使用指定的符号表文件
• -s 在系统记录中记录错误
• -v 执行时显示详细的信息
• -V 显示版本信息
• --help 显示帮助

2.6 insmod 和 rmmod 命令

装载或卸载内核模块

• 不解决依赖关系，需要自己手动卸载

insmod命令

• 向 Linux 内核中插入一个模块
• insmod 是一个向内核插入模块的小程序
• 大多数用户使用 modprobe 因为它比较智能化
• insmod [ filename ] [ module options... ]

rmmod命令

• 命令解析

• • 删除内核中的一模块
  • rmmod 是一个可以从内核中删除模块的小程序，大多数用户使用modprobe -r去删除模块

• 语法格式

• • rmmod [ modulename ]

• 参数选项

• • -f

  • • 除非编译内核时 CONFIG_MODULE_FORCE_UNLOAD 被设置该命令才有效果，否则没效果

  • 用该选项可以删除正在被使用的模块，设计为不能删除的模块，或者标记为 unsafe 的模块

  • -w

  • • rmmod 拒绝删除正在被使用的模块

  • 使用该选项后，指定的模块会被孤立起来，直到不被使用

  • -s

  • • 将错误信息写入 syslog，而不是标准错误(stderr)

3. /proc 目录

内核把自己内部状态信息及统计信息，以及可配置参数通过 proc 伪文件系统加以输出。

3.1 sysctl 命令

语法格式

• sysctl(选项)(参数)

命令参数

• -n 打印值时不打印关键字
• -e 忽略未知关键字错误
• -N 仅打印名称
• -w 当改变 sysctl 设置时使用此项
• -p 从配置文件 /etc/sysctl.conf 加载内核参数设置
• -a 打印当前所有可用的内核参数变量和值
• -A 以表格方式打印当前所有可用的内核参数变量和值

默认配置文件

• /etc/sysctl.conf

命令使用方式

• (1) 设置某参数

• • sysctl -w parameter=VALUE

• (2) 通过读取配置文件设置参数

• • sysctl -p [/path/to/conf_file]

参数说明

• 只读：输出信息
• 可写：可接受用户指定“新值”来实现对内核某功能或特性的配置/proc/sys

两种修改方式

• (1) sysctl 命令用于查看或设定此目录中诸多参数

• • sysctl -w path.to.parameter=VALUE
  • sysctl -w kernel.hostname=mail.escapelife.com

• (2) echo 命令通过重定向的方式也可以修改大多数参数的值

• • echo "VALUE" > /proc/sys/path/to/parameter
  • echo "www.escapelife.com" > /proc/sys/kernel/hostname

配置文件中常用的几个参数

• net.ipv4.ip_forward
• /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
• vm.drop_caches
• /proc/sys/vm/drop_caches
• kernel.hostname
• /proc/sys/kernel/hostname

3.2 修改配置文件

3.3 实战演示

4. /sys 目录

sysfs 伪文件系统，输出内核识别出的各硬件设备的相关属性信息，也有内核对硬件特性的设定信息。有些参数是可以修改的，用于调整硬件工作特性。

4.1 udev

• udev 是运行用户空间程序。
• udev 通 /sys/ 路径下输出的信息动态为各设备创建所需要设备文件。
• udev 是 Linux 内核的设备管理器，它取代了 udevadmin 和 hotplug，负责管理 /dev 中的设备节点。
• udev 也处理所有用户空间发生的硬件添加、删除事件，以及某些特定设备所需的固件加载。
• udev 为设备创建设备文件时，会读取其事先定义好的规则文件，一般在 /etc/udev/rules.d 及 /usr/lib/udev/rules.d 目录下。

4.2 ramdisk 文件的制作

方法一

• mkinitrd 命令
• 为当前正在使用的内核重新制作 ramdisk 文件
• mkinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

方法二

• dracut 命令
• 为当前正在使用的内核重新制作 ramdisk 文件
• dracut /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

4.3 查看 ramdisk

5. 编译内核

5.1 前提准备

(1) 准备好开发环境

• 包组(CentOS 6)
• Server Platform Development
• Development Tools

(2) 获取目标主机上硬件设备的相关信息

• CPU

• • cat /proc/cpuinfo
  • x86info -a
  • lscpu

• PCI 设备

• • lspci
  • -v
  • -vv
  • lsusb
  • -v
  • -vv
  • lsblk

• 了解全部硬件设备信息

• • hal-device

(3) 获取到目标主机系统功能的相关信息

(4) 获取内核源代码包

• www.kernel.org

5.2 简易安装内核

简易安装

• 获取当前系统的安装文件作为模块安装较为方便
• 修改相应的参数即可
• 只适用于当前特定的内核版本
• 当前系统的安装文件在 config-2.6.32-504.el6.x86_64

简单依据模板文件的制作内核

5.3 详解编译内核

(1) 配置内核选项

• 支持“更新”模式进行配置
• (a) make config：基于命令行以遍历的方式去配置内核中可配置的每个选项
• (b) make menuconfig：基于 curses 的文本窗口界面
• (c) make gconfig：基于 GTK 开发环境的窗口界面
• (d) make xconfig：基于 Qt 开发环境的窗口界面
• 支持“全新配置”模式进行配置
• (a) make defconfig：基于内核为目标平台提供的“默认”配置进行配置
• (b) make allnoconfig: 所有选项均回答为”no“

(2) 编译 - make [-j #]

• 如何只编译内核中的一部分功能

• 如何交叉编译内核

• 如何在已经执行过编译操作的内核源码树做重新编译

参考

https://www.escapelife.site/posts/3acaa44c.html