深入淺出的介紹Linux 內核

Linux 內核是一種開源的類 Unix 操作系統(tǒng)宏內核。

Linux 內核是 Linux 操作系統(tǒng)的主要組件，也是計算機硬件與其進程之間的核心接口。它負責兩者之間的通信，還要盡可能高效地管理資源。之所以稱為內核，是因為它在操作系統(tǒng)中就像果實硬殼中的種子一樣，并且控制著硬件的所有主要功能。內核的用途主要有以下 4 項工作：

內存管理：追蹤記錄有多少內存存儲了什么以及存儲在哪里

進程管理：確定哪些進程可以使用中央處理器、何時使用以及持續(xù)多長時間

設備驅動程序：充當硬件與進程之間的調解程序/解釋程序

系統(tǒng)調用和安全防護：從流程接受服務請求

在正確實施的情況下，內核對于用戶是不可見的，它在自己的小世界(稱為內核空間)中工作，并從中分配內存和跟蹤所有內容的存儲位置。用戶所看到的內容則被稱為用戶空間。這些應用通過系統(tǒng)調用接口(SCI)與內核進行交互。

Linux系統(tǒng)內核概述

1. 內核簡介

單內核體系設計、但充分借鑒了微內核設計體系的優(yōu)點，為內核引入模塊化機制。

Linux 內核的重要組成部分，主要有以下幾部分：

kernel

內核核心，一般為 bzImage

通常在 /boot 目錄下，名稱為 vmlinuz-VERSION-RELEASE

kernel object

內核對象，一般放置于 /lib/modules/VERSION-RELEASE/

[ ] ==> N ==> 不編譯進內核

[M] ==> M ==> 編譯為模塊文件

[*] ==> Y ==> 編譯進內核

輔助文件(ramdisk)

initrd

initramfs

2. 內核模塊

2.1 uname 命令

使用格式

uname [OPTION]...

參數(shù)解釋

-n 顯示節(jié)點名稱

-r 顯示VERSION-RELEASE

-s 內核名稱

-v 內核版本

-n 節(jié)點名

-m 硬件名稱

-i 硬件平臺

-p 處理器類型

-o 操作系統(tǒng)

#?uname?-m
i686

#?uname?-r
2.6.32-573.22.1.el6.i686

#?uname?-a
Linux?MyServer?2.6.32-573.22.1.el6.i686?...?i686?i386?GNU/Linux

2.2 lsmod 命令

顯示由核心已經(jīng)裝載的內核模塊

命令定義

顯示的內容來自于: /proc/modules 文件。

使用 lsmod 命令時，常會采用類似 lsmod | grep -i ext4 這樣的命令來查詢系統(tǒng)是否加載了某些模塊。

#?cat?/proc/modules
iptable_filter?2173?0?-?Live?0xed9b2000
ip_tables?9567?1?iptable_filter,?Live?0xed9a9000
ext3?203718?1?-?Live?0xed962000
jbd?65315?1?ext3,?Live?0xed904000
xenfs?4360?1?-?Live?0xed8e6000
ipv6?271097?14?-?Live?0xed88e000
xen_netfront?15871?0?-?Live?0xed7d9000
ext4?339812?2?-?Live?0xed764000
jbd2?75927?1?ext4,?Live?0xed6d9000
mbcache?6017?2?ext3,ext4,?Live?0xed6b7000
xen_blkfront?19209?5?-?Live?0xed69f000
dm_mirror?11969?0?-?Live?0xed68d000
dm_region_hash?9644?1?dm_mirror,?Live?0xed67e000
dm_log?8322?2?dm_mirror,dm_region_hash,?Live?0xed672000
dm_mod?84711?11?dm_mirror,dm_log,?Live?0xed64e000

#?lsmod?|?grep?ext4
ext4??????????????????339812??2
jbd2???????????????????75927??1?ext4
mbcache?????????????????6017??2?ext3,ext4

字段含義

第 1 列：表示模塊的名稱

第 2 列：表示模塊的大小

第 3 列：表示依賴模塊的個數(shù)

第 4 列：表示依賴模塊的內容

#?lsmod
Module??????????????????Size??Used?by
iptable_filter??????????2173??0
ip_tables???????????????9567??1?iptable_filter
ext3??????????????????203718??1
jbd????????????????????65315??1?ext3
xenfs???????????????????4360??1
ipv6??????????????????271097??14
xen_netfront???????????15871??0
ext4??????????????????339812??2
jbd2???????????????????75927??1?ext4
mbcache?????????????????6017??2?ext3,ext4
xen_blkfront???????????19209??5
dm_mirror??????????????11969??0
dm_region_hash??????????9644??1?dm_mirror
dm_log??????????????????8322??2?dm_mirror,dm_region_hash
dm_mod?????????????????84711??11?dm_mirror,dm_log

2.3 modinfo 命令

顯示模塊的詳細描述信息

命令定義

modinfo 列出 Linux 內核中命令行指定的模塊的信息。

modinfo 能夠查詢系統(tǒng)中未安裝的模塊信息。

若模塊名不是一個文件名，則會在 /lib/modules/version 目錄中搜索，就像 modprobe 一樣。

modinfo 默認情況下，為了便于閱讀，以下面的格式列出模塊的每個屬性：fieldname : value。

語法

modinfo [選項] [ modulename|filename... ]

選項

-n 只顯示模塊文件路徑

-p 顯示模塊參數(shù)

-a author

-d description

-l license

-0 使用’’字符分隔 field 值，而不是一個新行，對腳本比較有用

實戰(zhàn)演示

#?modinfo?ext4
filename:???????/lib/modules/2.6.32-573.22.1.el6.i686/kernel/fs/ext4/ext4.ko
license:????????GPL
description:????Fourth?Extended?Filesystem
author:?????????Remy?Card,?Stephen?Tweedie,?Andrew?Morton,?Andreas?Dilger,?Theodore?and?others
srcversion:?????CB1B990F5A758DFB0FB12F1
depends:????????mbcache,jbd2
vermagic:???????2.6.32-573.22.1.el6.i686?SMP?mod_unload?modversions?686

#?modinfo?btrfs
filename:???????/lib/modules/2.6.32-573.22.1.el6.i686/kernel/fs/btrfs/btrfs.ko
license:????????GPL
alias:??????????devname:btrfs-control
alias:??????????char-major-10-234
srcversion:?????B412C18B0F5BF7F1B3C941A
depends:????????libcrc32c,zlib_deflate,lzo_compress,lzo_decompress
vermagic:???????2.6.32-573.22.1.el6.i686?SMP?mod_unload?modversions?686

2.4 modprobe 命令

裝載或卸載內核模塊

命令定義

配置文件

/etc/modprobe.conf

/etc/modprobe.d/*.conf

解決依賴

modprobe需要一個最新的modules.dep文件，可以用depmod來生成

該文件列出了每一個模塊需要的其他模塊，modprobe使用這個去自動添加或刪除模塊的依賴

#?modules.dep為解決依賴的配置文件，modules.dep.bin二進制文件運行
#?ls?/lib/modules/2.6.32-358.6.1.el6.i686/
build??????????????modules.block????modules.ieee1394map??modules.ofmap?????modules.symbols.bin??weak-updates
extra??????????????modules.ccwmap???modules.inputmap?????modules.order?????modules.usbmap
kernel?????????????modules.dep??????modules.isapnpmap????modules.pcimap????source
modules.alias??????modules.dep.bin??modules.modesetting??modules.seriomap??updates
modules.alias.bin??modules.drm??????modules.networking???modules.symbols???vdso

語法

modprobe [ -c ]

modprobe [ -l ] [ -t dirname ] [ wildcard ]

modprobe [ -r ] [ -v ] [ -n ] [ -i ] [ modulename … ]

選項

-v

顯示程序在干什么，通常在出問題的情況下，modprobe 才顯示信息

-C

重載，默認配置文件(/etc/modprobe.conf 或 /etc/modprobe.d)

-c

輸出配置文件并退出

-n

可以和 -v 選項一起使用，調試非常有用

-i

該選項會使得 modprobe 忽略配置文件中的，在命令行上輸入的 install 和 remove

-q

一般 modprobe 刪除或插入一個模塊時，若沒有找到會提示錯誤。使用該選項，會忽略指定的模塊，并不提示任何錯誤信息。

-r

該選項會導致 modprobe 去刪除，而不是插入一個模塊

通常沒有沒有理由去刪除內核模塊，除非是一些有 bug 的模塊

-f

使用該選項是比較危險的

和同時使用 –force-vermagic，–force-modversion 一樣

-l

列出所有模塊

-a

插入所有命令行中的模塊

-t

強制 -l 顯示 dirname 中的模塊

-s

錯誤信息寫入 syslog

2.5 depmod 命令

內核模塊依賴關系文件及系統(tǒng)信息映射文件的生成工具

語法

depmod [-adeisvV][-m <文件>][--help][模塊名稱]

參數(shù)

-a 分析所有可用的模塊

-d 執(zhí)行排錯模式

-e 輸出無法參照的符號

-i 不檢查符號表的版本

-m<文件> 使用指定的符號表文件

-s 在系統(tǒng)記錄中記錄錯誤

-v 執(zhí)行時顯示詳細的信息

-V 顯示版本信息

--help 顯示幫助

2.6 insmod 和 rmmod 命令

裝載或卸載內核模塊

不解決依賴關系，需要自己手動卸載

insmod命令

向 Linux 內核中插入一個模塊

insmod 是一個向內核插入模塊的小程序

大多數(shù)用戶使用 modprobe 因為它比較智能化

insmod [ filename ] [ module options... ]

rmmod命令

命令解析

刪除內核中的一模塊

rmmod 是一個可以從內核中刪除模塊的小程序，大多數(shù)用戶使用modprobe -r去刪除模塊

語法格式

rmmod [ modulename ]

參數(shù)選項

-f

除非編譯內核時?CONFIG_MODULE_FORCE_UNLOAD?被設置該命令才有效果，否則沒效果

用該選項可以刪除正在被使用的模塊，設計為不能刪除的模塊，或者標記為?unsafe?的模塊

-w

rmmod 拒絕刪除正在被使用的模塊

使用該選項后，指定的模塊會被孤立起來，直到不被使用

-s

將錯誤信息寫入?syslog，而不是標準錯誤(stderr)

3. /proc 目錄

內核把自己內部狀態(tài)信息及統(tǒng)計信息，以及可配置參數(shù)通過 proc 偽文件系統(tǒng)加以輸出。

#?ls?/proc/
1?????1173??22?????29855??35??47???60???973??????????filesystems??loadavg???????scsi???????????version
10????12????23?????3??????36??48???600??buddyinfo????fs???????????locks?????????self???????????vmallocinfo
1071??13????232????30?????37??49???61???bus??????????interrupts???mdstat????????slabinfo???????vmstat
1082??14????234????31?????38??5????62???cgroups??????iomem????????meminfo???????softirqs???????xen
1085??15????24?????31314??39??528??7????cmdline??????ioports??????misc??????????stat???????????zoneinfo
11????16????25?????317????4???531??739??cpuinfo??????irq??????????modules???????swaps
1150??17????252????318????40??543??8????crypto???????kallsyms?????mounts????????sys
1162??18????253????32?????41??56???808??devices??????kcore????????mtd???????????sysrq-trigger
1163??19????26?????320????42??566??830??diskstats????keys?????????net???????????sysvipc
1165??1908??27?????33?????43??567??853??dma??????????key-users????pagetypeinfo??timer_list
1167??2?????28?????330????44??57???9????driver???????kmsg?????????partitions????timer_stats
1169??20????29?????334????45??59???94???execdomains??kpagecount???sched_debug???tty
1171??21????29853??34?????46??6????95???fb???????????kpageflags???schedstat?????uptime

3.1 sysctl 命令

語法格式

sysctl(選項)(參數(shù))

命令參數(shù)

-n 打印值時不打印關鍵字

-e 忽略未知關鍵字錯誤

-N 僅打印名稱

-w 當改變 sysctl 設置時使用此項

-p 從配置文件 /etc/sysctl.conf 加載內核參數(shù)設置

-a 打印當前所有可用的內核參數(shù)變量和值

-A 以表格方式打印當前所有可用的內核參數(shù)變量和值

默認配置文件

/etc/sysctl.conf

命令使用方式

(1) 設置某參數(shù)

sysctl -w parameter=VALUE

(2) 通過讀取配置文件設置參數(shù)

sysctl -p [/path/to/conf_file]

參數(shù)說明

只讀：輸出信息

可寫：可接受用戶指定“新值”來實現(xiàn)對內核某功能或特性的配置/proc/sys

兩種修改方式

(1) sysctl 命令用于查看或設定此目錄中諸多參數(shù)

sysctl -w path.to.parameter=VALUE

sysctl -w kernel.hostname=mail.escapelife.com

(2) echo 命令通過重定向的方式也可以修改大多數(shù)參數(shù)的值

echo "VALUE" > /proc/sys/path/to/parameter

echo "www.escapelife.com" > /proc/sys/kernel/hostname

配置文件中常用的幾個參數(shù)

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

#?cat?/etc/sysctl.conf
#?Kernel?sysctl?configuration?file?for?Red?Hat?Linux

#?Controls?IP?packet?forwarding
net.ipv4.ip_forward?=?0

#?Controls?source?route?verification
net.ipv4.conf.default.rp_filter?=?1

#?Do?not?accept?source?routing
net.ipv4.conf.default.accept_source_route?=?0

#?Controls?the?System?Request?debugging?functionality?of?the?kernel
kernel.sysrq?=?0

#?Controls?whether?core?dumps?will?append?the?PID?to?the?core?filename.
#?Useful?for?debugging?multi-threaded?applications.
kernel.core_uses_pid?=?1

#?Controls?the?use?of?TCP?syncookies
net.ipv4.tcp_syncookies?=?1

#?Disable?netfilter?on?bridges.
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables?=?0
net.bridge.bridge-nf-call-iptables?=?0
net.bridge.bridge-nf-call-arptables?=?0

#?Controls?the?default?maxmimum?size?of?a?mesage?queue
kernel.msgmnb?=?65536

#?Controls?the?maximum?size?of?a?message,?in?bytes
kernel.msgmax?=?65536

#?Controls?the?maximum?shared?segment?size,?in?bytes
kernel.shmmax?=?4294967295

#?Controls?the?maximum?number?of?shared?memory?segments,?in?pages
kernel.shmall?=?268435456
#?Auto-enabled?by?xs-tools:install.sh
net.ipv4.conf.all.arp_notify?=?1

3.3 實戰(zhàn)演示

#?查看所有可讀變量
sysctl?-a

#?修改對應參數(shù)
sysctl?-w?kernel.sysrq=0
sysctl?-w?kernel.core_uses_pid=1
sysctl?-w?net.ipv4.conf.default.accept_redirects=0

#?如果希望屏蔽別人?ping?你的主機，配置文件修改
net.ipv4.icmp_echo_ignore_all?=?1

#?編輯完成后，請執(zhí)行以下命令使變動立即生效
/sbin/sysctl?-p
/sbin/sysctl?-w?net.ipv4.route.flush=1

4. /sys 目錄

sysfs 偽文件系統(tǒng)，輸出內核識別出的各硬件設備的相關屬性信息，也有內核對硬件特性的設定信息。有些參數(shù)是可以修改的，用于調整硬件工作特性。

4.1 udev

udev 是運行用戶空間程序。

udev 通 /sys/ 路徑下輸出的信息動態(tài)為各設備創(chuàng)建所需要設備文件。

udev 是 Linux 內核的設備管理器，它取代了 udevadmin 和 ?hotplug，負責管理 ?/dev 中的設備節(jié)點。

udev 也處理所有用戶空間發(fā)生的硬件添加、刪除事件，以及某些特定設備所需的固件加載。

udev 為設備創(chuàng)建設備文件時，會讀取其事先定義好的規(guī)則文件，一般在 /etc/udev/rules.d 及 /usr/lib/udev/rules.d 目錄下。

4.2 ramdisk 文件的制作

方法一

mkinitrd 命令

為當前正在使用的內核重新制作 ramdisk 文件

mkinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

#?移動ramdisk文件到/root目錄下
mv?/boot/initramfs-2.6.32...img?/root

#?為當前正在使用的內核重新制作ramdisk文件
mkinitrd?/boot/initramfs-$(uname?-r).img?$(uname?-r)

方法二

dracut 命令

為當前正在使用的內核重新制作 ramdisk 文件

dracut /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

#?移動ramdisk文件到/root目錄下
mv?/boot/initramfs-2.6.32...img?/root

#?為當前正在使用的內核重新制作ramdisk文件
dracut?/boot/initramfs-$(uname?-r).img?$(uname?-r)

4.3 查看 ramdisk

#?使用file命令查看ramdisk文件發(fā)現(xiàn)是以gz壓縮存放的
file?/boot/initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img

#?改名稱，解壓
cd?/boot/
mv?initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img?initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img.gz
gzip?-d?initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img.gz

#?使用file命令查看發(fā)現(xiàn)是以cpio存放的文本文件
file?initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img

#?解壓這個文本文件
#?之后會在initrd目錄下生成相應的文件，一個微型的/root
mkdir?initrd
cd?initrd
cpio?-id?

	5. 編譯內核

	5.1 前提準備

	(1) 準備好開發(fā)環(huán)境

	包組(CentOS 6)

	Server Platform Development

	Development Tools

	(2) 獲取目標主機上硬件設備的相關信息

	CPU

	cat /proc/cpuinfo

	x86info -a

	lscpu

	PCI 設備

	lspci

	-v

	-vv

	lsusb

	-v

	-vv

	lsblk

	了解全部硬件設備信息

	hal-device

	(3) 獲取到目標主機系統(tǒng)功能的相關信息

	(4) 獲取內核源代碼包

	www.kernel.org

	5.2 簡易安裝內核

	簡易安裝

	獲取當前系統(tǒng)的安裝文件作為模塊安裝較為方便

	修改相應的參數(shù)即可

	只適用于當前特定的內核版本

	當前系統(tǒng)的安裝文件在 config-2.6.32-504.el6.x86_64

	簡單依據(jù)模板文件的制作內核
#?下載對應的Linux內核版本進行解壓縮
#?會在/usr/src目錄下創(chuàng)建debug、kernels和linux-3.10.67目錄
tar?xf?linux-3.10.67.tar.xz?-C?/usr/src

#?為了方便多內核共存，使用連接指向
#?會在當前目錄下創(chuàng)建一個鏈接文件?linux?->?linux-3.10.67
cd?/usr/src
ln?-sv?linux-3.10.67?linux

#?創(chuàng)建模板
cd?linux
#?查看鏈接指向的文件內容
ls
#?拷貝系統(tǒng)自帶的模板文件
cp?/boot/config-$(uname?-r)?.config

#?打開圖形界面配置內核選項，選擇添加、刪除內核模塊
#?添加的默認選項來自.config配置文件
make?menuconfig

#?使用screen來不中斷安裝
screen
#?采用幾個線程進行編譯
make?-j?n

#?安裝內核
make?modules_install
#?make?install中將會安裝內容
#?安裝bzImage為/boot/vmlinuz-VERSION-RELEASE
#?生成initramfs文件
#?編輯grub的配置文件
make?install

#?重啟系統(tǒng)，并測試使用新內核，不是默認啟動內核
init?6


	5.3 詳解編譯內核

	(1) 配置內核選項

	支持“更新”模式進行配置

	(a) make config：基于命令行以遍歷的方式去配置內核中可配置的每個選項

	(b) make menuconfig：基于 curses 的文本窗口界面

	(c) make gconfig：基于 GTK 開發(fā)環(huán)境的窗口界面

	(d) make xconfig：基于 Qt 開發(fā)環(huán)境的窗口界面

	支持“全新配置”模式進行配置

	(a) make defconfig：基于內核為目標平臺提供的“默認”配置進行配置

	(b) make allnoconfig: 所有選項均回答為”no“

	(2) 編譯 - make [-j #]

	如何只編譯內核中的一部分功能
#?(a)只編譯某子目錄中的相關代碼
cd?/usr/src/linux
make?dir/

#?(b)只編譯一個特定的模塊
cd?/usr/src/linux
make?dir/file.ko

#?例如：只為e1000編譯驅動
make?drivers/net/ethernet/intel/e1000/e1000.ko


	如何交叉編譯內核
#?編譯的目標平臺與當前平臺不相同；
make?ARCH=arch_name

#?要獲取特定目標平臺的使用幫助
make?ARCH=arch_name?help


	如何在已經(jīng)執(zhí)行過編譯操作的內核源碼樹做重新編譯
#?事先清理操作

#?清理大多數(shù)編譯生成的文件，但會保留config文件等
make?clean

#?清理所有編譯生成的文件、config及某些備份文件
make?mrproper

#?mrproper、patches以及編輯器備份文件
make?distclean

	編輯：黃飛

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