Linux 内核开发 的核心知识点

1. 内核基础与架构

• 内核职责
  • 进程调度
  • 内存管理
  • 文件系统
  • 设备驱动
  • 网络通信
  • 系统调用接口
• 内核架构
  • 宏内核
  • 微内核
  • 混合内核
• 内核空间 vs 用户空间
  • 特权级别
  • 上下文切换
  • 系统调用
• 内核源码树结构
  • /arch: 体系结构相关代码
  • /drivers: 设备驱动程序
  • /fs: 文件系统
  • /include: 头文件
  • /init: 内核初始化
  • /kernel: 核心子系统
  • /mm: 内存管理
  • /net: 网络栈

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2. 核心子系统

• 进程管理
  • 进程描述符 struct task_struct
  • 进程状态
  • 进程创建 (fork, vfork, clone)
  • 进程调度器
    • CFS
    • 实时调度器
  • 内核线程
• 内存管理
  • 虚拟内存
  • 分页与页表
  • 物理内存管理: 伙伴系统、SLAB/SLUB分配器
  • VMAs
  • 页缓存
  • 内存回收
• 文件系统
  • VFS
  • 索引节点
  • 目录项缓存
  • 具体文件系统: ext4, XFS, Btrfs
• 设备驱动
  • 三类设备
    • 字符设备
    • 块设备
    • 网络设备
  • 驱动模型
  • 设备树
  • sysfs, procfs, debugfs
• 网络栈
  • 套接字
  • 协议栈: TCP, UDP, IP
  • 网络设备驱动
  • Netfilter

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3. 内核开发关键技术

• 同步与并发
  • 原子操作
  • 自旋锁
  • 信号量
  • 互斥锁
  • 完成变量
  • RCU
• 中断处理
  • 上半部
  • 下半部机制
    • 软中断
    • 任务队列
    • 工作队列
• 内核定时器
  • jiffies
  • 定时器API
  • 高精度定时器
• 内存分配
  • kmalloc / kfree
  • vmalloc / vfree
  • get_free_pages
• 内核调试
  • printk
  • oops 分析
  • gdb + kgdb
  • strace / ltrace
  • SystemTap
  • ftrace
  • KASAN, UBSAN

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4. 开发流程与社区

• 获取源码
  • git clone https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git
• 配置与编译
  • make menuconfig
  • make -jN
  • 交叉编译
• 代码风格
  • 遵循 Linux Kernel Coding Style
• 提交补丁
  • git format-patch
  • 邮件列表提交
  • 回应评审意见

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5. 重要概念与机制

• 模块机制
  • insmod, rmmod, modprobe
  • 模块初始化与退出
• Syscall
  • 实现原理
  • 添加新系统调用
• Kconfig 与 Makefile
  • 配置选项定义
  • 源码编译规则
• 容器与虚拟化支持
  • Namespaces
  • Cgroups
  • KVM