Linux內核在Linux系統(tǒng)中到底處于一個什么樣的地位

一、前言

Linux操作系統(tǒng)是當今世界上最為廣泛使用的開源操作系統(tǒng)之一，內核則是一個操作系統(tǒng)的核心和靈魂所在。對于一名Linux驅動開發(fā)者來說，了解Linux內核的運行機制和Linux內核提供的一些關鍵功能（如虛擬內存管理、進程管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議棧等）都是我們日常工作和學習的重點。

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

二、Linux內核的作用

Linux內核的功能主要是將應用層請求傳遞給硬件，并作為底層驅動程序，以尋址系統(tǒng)中的各種設備和組件。下面從幾個不同的角度簡單的總結一下Linux內核的作用：

從技術層面講，內核是硬件與軟件之間的一個中間層。作用是將應用層序的請求傳遞給硬件，并充當?shù)讓域寗映绦?，對系統(tǒng)中的各種設備和組件進行尋址。

從應用程序的層面講，應用程序與硬件沒有聯(lián)系，只與內核有聯(lián)系，內核是應用程序知道的層次中的最底層。在實際工作中內核抽象了相關細節(jié)。

內核是一個資源管理程序。負責將可用的共享資源(CPU時間、磁盤空間、網(wǎng)絡連接等)分配得到各個系統(tǒng)進程。

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

通過上面的介紹我們知道了Linux內核是鏈接硬件和上層應用的橋梁，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內核中內注入了以下幾個功能：

系統(tǒng)管理： Linux內核負責管理計算機硬件資源，包括處理器、內存、磁盤、網(wǎng)絡等。它與系統(tǒng)的其他部分（如驅動程序和系統(tǒng)庫）協(xié)同工作，確保良好的資源分配和管理。

進程管理： Linux內核實現(xiàn)了進程管理機制，控制和調度各個運行的程序。它負責創(chuàng)建、銷毀和切換進程，確保系統(tǒng)資源的合理利用，并提供進程間通信和同步機制。

文件系統(tǒng)： Linux內核支持多種文件系統(tǒng)，如Ext4、Btrfs、XFS等，負責管理和操作文件和目錄。它提供了強大的文件權限、安全性以及數(shù)據(jù)完整性保護機制。

設備驅動程序： Linux內核用于管理和控制硬件設備，通過設備驅動程序與各種設備進行交互。它為各類硬件提供支持，如顯示器、鼠標、鍵盤、網(wǎng)絡接口等，使得這些設備能夠在Linux系統(tǒng)上正常運行。

除了上面的幾個重要部分外Linux內核還提供了網(wǎng)絡協(xié)議棧、虛擬化技術和容器、安全機制等技術。所以Linux內核是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、驅動開發(fā)為什么要學習內核

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

我認為作為一名驅動開發(fā)工程師之所以需要學習和熟悉Linux內核主要出于以下幾點考慮：

3.1 理解系統(tǒng)底層機制與架構

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

3.2 與內核接口進行交互

驅動開發(fā)工程師經(jīng)常需要與Linux內核中的各種接口進行交互，以實現(xiàn)設備的初始化、配置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?。學習Linux內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，了解設備模型和總線框架可以幫助你構建設備驅動程序；了解字符設備和塊設備接口可以幫助你進行輸入輸出操作。

3.3 故障排查和錯誤調試

在驅動開發(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內核可以幫助我們更有效地進行故障排查和錯誤調試。我們可以使用內核日志、調試工具和跟蹤技術來定位問題，并深入了解內核中相關模塊的行為。這樣能夠快速識別和解決問題，提高驅動程序的質量和可靠性。

3.4 驅動程序優(yōu)化與性能提升

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

四、需要學習內核哪些知識

為了更好地編寫驅動程序，我在這里給大家推薦幾個內核需要學習的方向，首先就是系統(tǒng)級別的進程管理、內存管理、文件系統(tǒng)、設備驅動、網(wǎng)絡等知識。

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

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

虛擬文件系統(tǒng)隨著計算機技術的進步，存儲和組織數(shù)據(jù)的方法也是在不斷進步的，從而導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)絡接口網(wǎng)絡子系統(tǒng)在Linux內核中主要負責管理各種網(wǎng)絡設備，并實現(xiàn)各種網(wǎng)絡協(xié)議棧，最終實現(xiàn)通過網(wǎng)絡連接其它系統(tǒng)的功能。

五、學習Linux內核誤區(qū)

學內核最難的就是不知道從哪里開始學，這讓新手感到很困惑，想學會但不知道如何下手。一方面又希望自己能學懂，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習Linux內核的過程中容易踩的坑。

我列舉幾個常見的例子：

1、初學者學習內核容易產(chǎn)生的誤區(qū)上來就看內核源碼，結果完全看不懂，學習兩天就放棄了。

2、抓住一本書就開始啃，比如《深入Linux內核架構》，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，這些問題在初學階段其實很常見。我們學習的時候要注意學習方法，不要隨便挑選難度太高的內容，學習要循序漸進。

審核編輯：劉清