了解 Linux 内核的基本原理
在当今飞速发展的软件行业中, 人们总是希望了解最新的发展动态. 无论是探索云原生解决方案, 新的人工智能突破, 还是容器化的影响, 人们都非常希望了解这些技术是如何工作的, 以及如何使它们更加可靠和可扩展.
热切地追求新知识并抓住出现的学习机会固然令人钦佩, 但立足于基础知识也同样重要. 了解了核心原则, 我们就能有效地推理每一种新出现的技术.
通过保持坚实的基础, 我们可以更好地驾驭复杂的创新, 并确保我们对新概念的掌握始终有根有据.
既然如此, 在本文中, 我们将深入探讨技术进化史上的一个基础概念: Linux 内核.
让我们退后一步, 从历史的角度来审视一下.
如今, Linux内核拥有超过2300万行代码, 是全球使用最广泛的开源软件之一. 这个庞大项目的起源可以追溯到 1991年 , 当时 Linus Torvalds 发起了这个项目.
Torvalds最初的设想是为他的个人电脑提供一个免费的操作系统内核, 他在comp.os.minix(一个新闻组)上分享了他卑微的初衷, 并作了简单的说明.
"我正在为 386(486)AT 克隆机开发一个(免费)操作系统(只是业余爱好, 不会像 GNU 那样大而专业). 从四月份开始酝酿, 现在已经开始准备了".
谁能想到, 一个纯粹的业余爱好会导致历史上最大的软件项目? 这证明了激情和毅力的力量--证明了献身于自己热爱的事业可以产生非凡的成果.
因此, 请追随你的激情, 你努力的种子终有一天会开花结果.
现在, 把焦点转回到我们的主题上, Linux 内核从 Unix 中汲取灵感, 因此被归类为类 Unix 内核. 你可能会问, 既然内核已经存在, 为什么还要创建一个新内核呢?
这个问题问得很对. 虽然 Unix 确实是一个开创性的系统, 但它也有自己的局限性, 尤其是在支持架构方面. 因此, Linux 内核就像一粒播下的先知先觉的种子, 在培育时就考虑到了适应多种架构的问题.
当然, 让我们来详细了解一下 Linux 内核.
什么是 Linux 内核?
Linux 内核是 Linux 计算机操作系统的基础. 内核是能与计算机硬件接口的最低级别软件.
它是 Linux 操作系统(OS)的核心组件, 是计算机系统硬件与在其上运行的软件应用程序之间的桥梁.
它存在于操作系统中, 控制着硬件的所有主要功能, 无论是手机, 笔记本电脑, 服务器还是其他任何类型的计算机.
内核作为中介, 负责管理内存, 处理单元(CPU), 输入/输出设备和网络接口等系统资源.
在功能上, 内核处理对系统运行至关重要的各种任务, 包括
- **内存管理: ** 跟踪内存的使用情况, 了解内存的存储位置.
- **进程管理: ** 确定哪些进程可以使用中央处理器(CPU), 何时使用以及使用多长时间.
- **设备驱动程序: ** 充当硬件和进程之间的中介/解释器.
- **系统调用和安全: ** 接收来自进程的服务请求.
用现实世界做类比, 把 Linux 内核想象成实时演出中管弦乐队的指挥. 指挥(内核)协调并指导每个乐手(进程), 以确保和谐地执行, 并像指挥指导乐器一样管理资源. 它是硬件乐器和进程交响乐之间的重要纽带, 在计算世界中编排出完美高效的演出.
内核在幕后运行, 不为用户所知, 在一个被称为内核空间的隔离域中运行. 在这个空间内, 内核管理内存分配和组织等任务.
在用户端, 网络浏览器和文件等可见组件位于所谓的用户空间. 这些面向用户的应用程序通过系统调用接口(SCI)与内核通信.
换句话说, 内核(空间)是操作系统中运行权限较高的部分, 而用户(空间)通常指运行权限较低的应用程序.
内核在操作系统中的位置
以下是内核在操作系统整体结构中的位置:
- **硬件层: ** 硬件层是操作系统的基础, 由 CPU, 内存, 存储设备, 网络接口和图形硬件等物理组件组成. 中央处理器执行计算并管理内存操作, 而其他硬件则为输入/输出任务提供便利.
- **Linux 内核层: ** Linux 内核位于硬件和用户进程(应用程序)之间, 是操作系统的核心. 它是驻留在内存中的一个软件实体, 控制并指导中央处理器和其他硬件组件的运行. 内核管理内存管理, 进程调度, 设备交互和系统资源分配等进程. 它促进用户进程与硬件之间的通信, 确保系统正常运行.
- 用户进程层: 内核层之上是用户进程层, 由运行中的程序和用户交互的应用程序组成. 这些进程在指定的用户空间内运行. *例如: * 包括网络浏览器, 文本编辑器, 媒体播放器和系统实用程序.
明确隔离和权限分离, 实现安全和逻辑隔离
如果我告诉你, 内核和用户空间之间的隔离, 加上进程间通信(IPC 命名空间)和其他 Linux 功能, 为我们现在所熟知的虚拟机和容器化铺平了道路, 你会怎么想? 你相信吗?
的确如此. 虚拟机和容器化都依赖于这些基础概念, 利用 Linux 内核的功能为运行应用程序创建隔离环境.
了解这些技术是如何建立在相同的基本原理之上的, 就能发现它们之间的相似之处, 并凸显 Linux 生态系统的多功能性.
为了了解更多这方面的信息, 我编译了一篇文章, 强调容器或 pod 与虚拟机的关系, 以及如何使用相同的 Linux 功能构建容器或 pod. 欢迎深入阅读, 了解更多详情.
回到我们的讨论, 让我们深入了解遵循单片式架构的 Linux 内核设计.
Linux 内核: 单片式架构
在这种架构中, 内核包含所有核心功能, 包括内存管理, 进程调度, 文件系统管理和设备驱动程序.
这种设计具有多种优势, 如内核组件之间的高效通信和对系统资源的简化访问.
单体架构的一个显著优势是它在管理用户进程故障时的弹性. 虽然在用户模式下可能会发生故障, 但内核通常可以控制和管理其影响.
此外, Linux 内核还具有实时补丁功能, 该功能允许在无需系统停机的情况下应用安全修复和更新. 这不仅确保了系统的连续运行, 还能通过迅速解决漏洞来增强系统的安全态势.
然而, 我们也必须认识到这种架构的潜在风险. 一旦内核进程崩溃, 整个系统都有可能出现故障, 这对系统的稳定性和可靠性提出了巨大挑战.
为了解决这个问题, 出现了另一种内核设计: 微内核.
在微内核架构中, 只有内存管理和进程调度等基本服务位于内核空间. 其他服务则在用户空间运行, 从而增强了模块化和隔离性. 这种方法旨在尽量减少内核故障对系统完整性的影响, 同时提高灵活性和可扩展性.
总之, Linux 内核等基本概念在我们的日常软件开发过程中起着举足轻重的作用. 了解内核设计和体系结构的基本原理, 可以增强我们对现代计算系统的理解, 让我们更有信心地驾驭复杂的软件开发工作.