5 天学习 Linux Kernel 主要原理 | Day 1：Linux 内核基础与架构总览

一个 5 天学习 Linux Kernel 主要原理 的详细内容，目标是快速理解内核核心机制、定位问题、并能结合实际日志进行调试 。内容循序渐进，适合 SLES、RHEL、Ubuntu 等发行版，侧重原理 + 实践。

下面是第一部分，含概念讲解、动手实验（跨发行版命令给到）、常见输出示例、练习与测试、FAQ 与排错提示。建议在虚拟机/测试机上操作。。

Day 1：Linux 内核基础与架构总览（实战版）

一、课前准备（10 分钟）

建议环境：任一常见发行版（Ubuntu/Debian、RHEL/CentOS/Rocky、openSUSE/SLES）。
需要 root 或 sudo 权限。

安装常用工具：

bash 复制代码

# Debian/Ubuntu
sudo apt update && sudo apt install -y build-essential git gcc make pkg-config \
     linux-tools-$(uname -r) linux-tools-common linux-headers-$(uname -r)

# RHEL/CentOS/Rocky（先启用 CodeReady Builder/PowerTools 视版本而定）
sudo dnf groupinstall -y "Development Tools"
sudo dnf install -y kernel-devel kernel-tools kernel-tools-libs

# openSUSE/SLES
sudo zypper refresh
sudo zypper install -y gcc make kernel-default-devel kernel-source \
     kernel-firmware-tools

1.1 内核基础概念（40 分钟）

1）什么是 Linux 内核，用户态 vs 内核态

内核（Kernel）：操作系统的"发动机"，负责进程调度、内存、文件系统、驱动、网络等。
用户态（User space）：应用程序运行区域（如 bash、Python、Nginx）。
内核态（Kernel space）：内核代码和驱动运行的特权区域。
系统调用（syscall） ：用户态进入内核态的"门"（例：read(2), write(2), open(2)）。

直观比喻：用户态像"车内的按钮"，内核态是"发动机舱"。按钮发出指令（系统调用），发动机执行实际操作（访问磁盘/网卡/内存）。

2）内核主要功能模块（认识地图）

进程管理（PM）：调度算法、上下文切换、优先级。
内存管理（MM）：虚拟内存、页表、分配器（buddy/SLAB/SLUB）、swap。
VFS（虚拟文件系统）：统一抽象，支持 ext4/xfs/btrfs 等。
设备驱动（Drivers）：与硬件对接，模块化可按需加载。
网络栈（NET）：socket、TCP/IP 协议栈、路由、netfilter。
系统调用（Syscalls）：提供标准接口给用户态。

3）分层示意（记忆用）

diff 复制代码

+---------------------------+
|        用户态 (glibc)      |
+---------------------------+
|     系统调用接口 (Syscall) |
+---------------------------+
|  PM | MM | VFS | NET | ...|
+---------------------------+
|     设备驱动 / 总线层      |
+---------------------------+
|       硬件抽象层 (HAL)     |
+---------------------------+
|            硬件            |
+---------------------------+

4）快速动手：用 `strace` 看系统调用（感知"门"）

bash 复制代码

sudo apt install -y strace 2>/dev/null || true
strace -o /tmp/ls.strace ls >/dev/null 2>&1
head -n 10 /tmp/ls.strace

观察到大量 openat, read, write, mmap, close：这就是用户态向内核发起的系统调用路径。

1.2 Kernel Release 与配置（40 分钟）

1）版本命名与分支

语义：X.Y.Z
- X 主版本（架构性变更）
- Y 次版本（功能迭代，当前"主线 mainline/stable"一般是 6.y）
- Z 修订（Bug/安全修复）
分支类型：
- mainline：最新开发主线（Linus 合并窗口）
- stable：从主线回传稳定修复（6.y.z）
- LTS：长期维护（数年维护）
- 发行版内核：带厂商补丁（SUSE、Red Hat、Ubuntu 等）

结论：生产上多选 发行版 LTS；内核新特性/驱动调试可用 mainline/stable。

2）配置与编译流程（概念 + 演示）

Day 1 以"了解流程"为主，真编译可在 Day 4/5 深入。

基本流程：

bash 复制代码

make menuconfig              # 配置内核选项（图形化菜单）
make -j$(nproc)              # 并行编译内核与模块
sudo make modules_install    # 安装模块到 /lib/modules/<ver>
sudo make install            # 安装内核/vmlinuz/initramfs/引导项

更安全的 Day 1 实战：编译一个"Hello 内核模块"（不改生产内核）

新建源码目录：

bash 复制代码

mkdir -p ~/khello && cd ~/khello
cat > hello.c <<'EOF'
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
static int __init hello_init(void){ pr_info("hello: module loaded\n"); return 0; }
static void __exit hello_exit(void){ pr_info("hello: module unloaded\n"); }
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
EOF

cat > Makefile <<'EOF'
obj-m += hello.o
KDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
all:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean
EOF

make
sudo insmod hello.ko
dmesg -T | tail -n 5
sudo rmmod hello
dmesg -T | tail -n 5

你将看到 hello: module loaded/unloaded 的内核日志。这一步让你真正在内核态执行了代码，但对系统风险很小。

3）/boot 关键文件详解（配合命令认识）

vmlinuz-<ver>：压缩的内核映像（可引导）。
initramfs/initrd：早期用户空间（驱动、挂载根分区等的最小系统）。
System.map-<ver>：内核符号表（地址到符号名映射）。
config-<ver>：此内核编译时采用的 .config（可以对比选项）。

快速查看：

bash 复制代码

ls -lh /boot
grep -E 'CONFIG_INITRAMFS|CONFIG_MODULES' /boot/config-$(uname -r) || true
file /boot/vmlinuz-$(uname -r)

1.3 基础调试命令（40 分钟）

命令/路径	核心用途与常用技巧
`uname -r`	查看运行的内核版本；对比 `/boot` 下版本是否匹配引导项。
`dmesg -T`	启动与内核日志；`-T` 显示可读时间，配合 `grep -i error`。
`journalctl -k`	仅看内核日志；`-b` 只看本次开机，`-b -1` 看上次开机。
`lsmod`	当前加载的内核模块；`lsmod	sort -k2 -nr	head` 看引用计数高的模块。
`modinfo <模块名>`	查看模块来源、参数、别名（如 `modinfo e1000e`）。
`sysctl`	查看/调整运行时内核参数；`sysctl -a	grep vm.swappiness`。

演示命令（复制即用）：

bash 复制代码

echo "版本：" && uname -r
echo -e "\n最近内核日志（末尾10行）：" && dmesg -T | tail
echo -e "\n上一轮启动的内核日志错误统计：" && journalctl -k -b -1 -p 3 --no-pager 2>/dev/null | wc -l || true
echo -e "\n已加载模块 Top10（按依赖计数）：" && lsmod | sort -k2 -nr | head
echo -e "\n模块信息示例（nvme）："; modinfo nvme_core 2>/dev/null | sed -n '1,20p'
echo -e "\n当前 vm.swappiness：" && sysctl vm.swappiness

修改一个内核参数（`vm.swappiness` 示例）

该参数控制内存压力下使用 swap 的积极程度（0~100）。

临时修改（重启失效）：

bash 复制代码

sudo sysctl vm.swappiness=10
sysctl vm.swappiness

永久生效（创建自定义配置）：

bash 复制代码

echo 'vm.swappiness = 10' | sudo tee /etc/sysctl.d/99-local-tuning.conf
sudo sysctl --system

练习（含参考做法）

查找当前系统内核版本
bash 复制代码
```
uname -r
```
参考输出：6.8.0-xyz-generic

找出系统中加载的所有驱动模块

bash 复制代码

lsmod | less
# 想要统计数量
lsmod | tail -n +2 | wc -l

修改一个内核参数（vm.swappiness）并验证

bash 复制代码

sudo sysctl vm.swappiness=5
sysctl vm.swappiness
# 持久化见上文 /etc/sysctl.d/99-local-tuning.conf

（加分）加载/卸载 hello 模块并观察 dmesg
- 见 1.2 的"Hello 模块"实验。

Day 1 作业与测试

A. 画图题（开卷）

画出你理解的 用户态 → 系统调用 → 内核模块 → 驱动 → 硬件 的路径图，并标注： PM / MM / VFS / NET 分别处在什么位置、谁与谁交互。

B. 日志分析

运行：
bash 复制代码
```
dmesg -T | egrep -i 'error|fail|warn' | tail -n 30
```
回答：本机启动过程中是否有设备初始化失败？是哪个驱动/总线报的？

C. 小测（判断/简答）

为什么需要 initramfs？ 要点：为根文件系统挂载前提供必要驱动/脚本（例如存储/RAID/解密），完成早期用户空间初始化。
Linux 内核能直接运行吗？ 要点：内核需要引导加载器（GRUB 等）加载到内存并跳转执行，且通常需要 initramfs 辅助完成挂载后进入 /sbin/init（或 systemd）才形成完整系统。
用户态与内核态的切换如何发生？ 要点：通过系统调用（软中断/syscall 指令）或中断/异常陷入内核，返回用 sysret/iret 等。

（可选）给出 strace ls 的几条系统调用，说明其作用。

FAQ（Day 1 常见困惑）

Q1：发行版自带内核已经很好了，为什么还要学编译？ A：生产大多使用发行版内核；但理解编译流程/配置选项有助于定制驱动、调优、调试问题（如需要开启某个跟踪功能、实验新驱动）。

Q2：vmlinuz 与 bzImage、zImage 有什么关系？ A：不同历史/架构下命名略有差异，本质都是可引导的压缩内核镜像 ；发行版通常命名为 vmlinuz-<ver>。

Q3：System.map 有什么用？ A：保存符号名到地址的映射，便于内核崩溃分析、调试（如根据地址找函数名）。

Q4：改 sysctl 会不会危险？ A：大多可安全实验，建议逐步调整并记录；涉及网络、内存回收的参数要先理解含义（如 vm.overcommit_*）。

Q5：dmesg 与 journalctl -k 有何区别？ A：dmesg 读的是当前内核环形缓冲区 ；journalctl -k 从 systemd-journald 的持久/易检索日志查看内核日志 ，可跨重启检索（-b -1 查看上次启动）。

常见问题排错（Cheatsheet）

make 编译模块失败 ：确认已安装 kernel headers / kernel-devel，并与 uname -r 匹配。
insmod 报 "invalid module format" ：模块与当前运行内核版本不匹配（modinfo hello.ko 查看 vermagic）。
dmesg 没有时间戳 ：用 dmesg -T，或看 journalctl -k。
sysctl 持久化不生效 ：确认配置文件在 /etc/sysctl.conf 或 /etc/sysctl.d/*.conf，执行 sudo sysctl --system 应用并观察无报错。

课后延伸（为 Day 2/3 埋伏笔）

试着用 perf list 和 perf top 看内核热点符号名（需要安装 perf，且版本匹配内核）。
初步浏览 /proc：cat /proc/cpuinfo、/proc/meminfo、/proc/modules、/proc/sys/vm/swappiness。

到这里，你已经建立起 Linux 内核的"地图感"，并完成了一次最小内核模块的实战 、掌握了日志和基础调参工具。下一天（Day 2）我们将深入 进程管理与 CFS 调度 ，用 top/pidstat/perf/ftrace 做性能与可观测性实操。

5 天学习 Linux Kernel 主要原理 | Day 1：Linux 内核基础与架构总览

Day 1：Linux 内核基础与架构总览（实战版）

一、课前准备（10 分钟）

1.1 内核基础概念（40 分钟）

1）什么是 Linux 内核，用户态 vs 内核态

2）内核主要功能模块（认识地图）

3）分层示意（记忆用）

4）快速动手：用 strace 看系统调用（感知"门"）

1.2 Kernel Release 与配置（40 分钟）

1）版本命名与分支

2）配置与编译流程（概念 + 演示）

3）/boot 关键文件详解（配合命令认识）

1.3 基础调试命令（40 分钟）

修改一个内核参数（vm.swappiness 示例）

练习（含参考做法）

Day 1 作业与测试

A. 画图题（开卷）

B. 日志分析

C. 小测（判断/简答）

FAQ（Day 1 常见困惑）

常见问题排错（Cheatsheet）

课后延伸（为 Day 2/3 埋伏笔）

4）快速动手：用 `strace` 看系统调用（感知"门"）

修改一个内核参数（`vm.swappiness` 示例）