《Linux内核与编程》课件：探索操作系统核心与编程艺术

《内核与编程》课件Linux探索操作系统核心与编程艺术本课件旨在带领大家深入探索Linux内核的奥秘，并学习如何进行内核编程，掌握操作系统核心技术，为未来的软件开发和系统设计打下坚实基础内核概述Linux定义特点Linux内核是Linux操作系统的核心部分，负责管理系统资开源、跨平台、稳定可靠、模块化设计、丰富的驱动程序源，提供系统调用接口，并为用户态进程提供运行环境支持内核的发展历程Linux年19911Linus Torvalds发布了第一个Linux内核版本，基于Minix操作系统版本

2.02引入了模块化设计，使内核更易于维护和扩展版本

2.63大幅提升性能，并加入了新的特性，如实时内核、虚拟化技术等版本

3.04加入了对多核处理器的支持，并优化了内存管理和文件系统等模块版本

4.05持续改进性能和安全，并加入了新的特性，如cgroups、namespaces、eBPF等内核的基本结构Linux内核空间包含内核代码和数据，运行在特权模式下1用户空间2包含用户程序和数据，运行在非特权模式下系统调用接口连接内核空间和用户空间，允许用户程序访问内核服务3内核的模块化设计Linux模块化优势模块加载和卸载提高内核的可维护性、可扩动态加载和卸载内核模块，展性和灵活性无需重新编译整个内核驱动程序和功能扩展通过模块化设计，可以方便地添加新的驱动程序和功能模块内核的主要功能模块Linux进程管理内存管理文件系统网络协议栈管理系统中的进程，包括管理系统内存，包括页面管理文件和目录，提供文实现网络协议，如进程创建、调度、通信等分配、页面置换、内存保件访问接口TCP/IP、UDP等护等进程管理进程创建、调度和通信进程创建使用系统调用fork创建新的进程，复制父进程的内存空间和资源进程调度根据不同的调度策略，选择合适的进程运行，保证系统资源的公平分配进程通信提供进程间通信机制，如管道、消息队列、共享内存等内存管理页式内存管理机制虚拟内存1为每个进程提供独立的地址空间，隔离用户程序页面2将物理内存划分为固定大小的页面，进行管理页表用于映射虚拟地址和物理地址，实现虚拟内存到物理内3存的转换文件系统和具体文件系统VFSVFS具体文件系统虚拟文件系统，提供统一的文件访1例如ext

4、xfs、nfs等，实现具体问接口，屏蔽底层文件系统的差异2的存储管理和文件操作网络协议栈协议族TCP/IP4应用层提供用户程序与网络的交互接口，例如HTTP、FTP等3传输层提供面向连接或无连接的数据传输服务，例如TCP、UDP等2网络层负责网络路由和地址管理，例如IP协议1数据链路层负责在网络设备之间传输数据，例如以太网协议驱动程序开发字符设备驱动和块设备驱动字符设备驱动块设备驱动用于管理字符设备，例如键盘、鼠标、串口等用于管理块设备，例如硬盘、U盘、SD卡等中断处理机制硬件中断当硬件设备发生中断时，会向CPU发送中断信号中断处理程序内核会根据中断向量表找到相应的处理程序，进行中断处理中断返回处理完中断后，内核返回到被打断的程序继续执行系统调用的实现和使用用户程序通过系统调用接口访问内核服务，例如open、read、write等1系统调用表包含内核提供的系统调用函数的地址，用于快速查找系统调用函数2内核函数3实现具体的内核功能，处理系统调用请求用户态和内核态的切换内核态内核代码运行在内核态，拥有最高权限，2可以访问所有系统资源用户态用户程序运行在用户态，只能访问1自己的地址空间切换3通过系统调用或异常处理机制，实现用户态和内核态之间的切换内核同步机制自旋锁和信号量自旋锁信号量适用于短时间锁定的情况，当锁用于控制对共享资源的访问，当被占用时，会忙等待，直到锁释锁被占用时，会阻塞等待，直到放锁释放死锁的原因和预防措施死锁原因多个进程互相等待对方释放资源，导致所有进程都无法继续执行预防措施使用资源分配策略，避免多个进程同时请求相同的资源，或采用锁的顺序机制内存管理单元工作原理MMU地址转换MMU根据页表将虚拟地址转换为物理地址，实现虚拟内存到物理内存的映射内存保护MMU负责内存保护，防止进程访问其他进程的内存空间页面置换当内存空间不足时，MMU会根据页面置换算法选择一个页面进行置换页面置换算法及其性能分析虚拟文件系统的设计VFS文件系统接口1VFS提供统一的文件访问接口，屏蔽底层文件系统的差异文件系统实现2具体文件系统实现具体的存储管理和文件操作，例如ext

4、xfs等文件操作3用户程序通过系统调用访问文件，VFS会根据文件系统类型调用相应的函数块设备驱动的实现设备初始化驱动程序会初始化设备，并注册到内核请求处理驱动程序会处理来自用户空间的读写请求，并操作底层硬件中断处理当设备发生中断时，驱动程序会处理中断，并完成数据传输字符设备驱动的实现设备注册读写操作驱动程序会注册设备，使内驱动程序会处理来自用户空核能够识别该设备间的读写请求，并进行相应的操作中断处理驱动程序会处理来自设备的中断，并完成数据传输网络设备驱动的实现数据包接收驱动程序会接收来自网络接口卡的2数据包，并传递给网络协议栈网络接口卡1驱动程序会管理网络接口卡，并与底层硬件进行交互数据包发送驱动程序会将来自网络协议栈的数3据包发送到网络接口卡内核模块的编译和加载编译内核模块加载内核模块使用make命令编译内核模块，生成模块文件使用insmod命令加载内核模块，使模块生效内核调试技术内核调试器内核追踪例如kgdb、kdb、gdb等，可以调试内核代码，分析内核使用内核追踪工具，例如ftrace、kprobe等，可以记录内运行状态核运行轨迹，分析内核性能和问题内核性能优化方法资源管理子系统cgroups资源限制1cgroups可以限制进程组的CPU、内存、IO等资源使用资源隔离2可以将进程组隔离，防止它们相互影响资源统计3cgroups可以统计进程组的资源使用情况隔离技术namespaces进程隔离资源隔离安全增强namespaces可以将进程隔离，防可以将进程组隔离，防止它们相互namespaces可以增强系统安全性，止它们相互影响影响防止恶意程序访问系统资源动态追踪框架eBPF动态加载eBPF可以动态加载代码到内核，无需重新编译内核内核追踪eBPF可以追踪内核运行状态，分析系统性能和问题网络过滤eBPF可以用于网络过滤，提高网络性能和安全性容器技术Linux轻量级虚拟化资源隔离Linux容器技术可以实现轻量容器可以隔离应用程序的资级虚拟化，将应用程序及其源，防止它们相互影响依赖项打包在一起可移植性容器可以轻松地在不同的平台之间移植，方便应用程序的部署和管理系统与服务管理器Systemd系统启动管理服务管理Systemd负责系统启动和管理，可以控制系统服务和进程Systemd可以管理系统服务，例如网络服务、数据库服务等内核的安全机制Linux安全模块内核提供了安全模块，例如SELinux、2AppArmor等，可以增强系统安全用户权限管理性1Linux内核通过用户权限管理，限制用户访问系统资源安全策略安全模块可以配置安全策略，限制3用户和进程的访问权限强制访问控制SELinux强制访问控制安全策略SELinux使用强制访问控制机制，限制用户和进程的访问权SELinux可以配置安全策略，定义用户和进程的访问权限限内核编程实践Linux内核代码分析内核模块开发深入分析Linux内核代码，了解内核实现机制学习开发内核模块，扩展内核功能系统调用的使用示例打开文件读取文件使用open系统调用打开文件，获取文件描述符使用read系统调用读取文件内容内核模块开发案例模块Hello World一个简单的内核模块，用于打印Hello World信息设备驱动模块一个复杂的内核模块，用于管理硬件设备，例如网络设备驱动进程间通信的实现管道管道是一种简单的进程间通信方式，用于在两个进程之间传递数据消息队列消息队列可以存储多个消息，并提供进程间通信的机制共享内存共享内存允许进程之间共享内存区域，实现快速数据交换设备驱动程序开发设备初始化1驱动程序会初始化设备，并注册到内核请求处理2驱动程序会处理来自用户空间的读写请求，并操作底层硬件中断处理3驱动程序会处理来自设备的中断，并完成数据传输内核同步机制的应用自旋锁信号量使用自旋锁保护共享数据，防止多个进程同时访问使用信号量控制对共享资源的访问，例如控制对打印机的访问内存管理单元的配置内存分配页面置换配置内核的内存分配策略，例如配置页面置换算法，例如选择分配页面大小LRU算法页面置换算法的评测虚拟文件系统的扩展添加新文件系统可以扩展VFS，添加新的文件系统，例如支持新的存储设备自定义文件操作可以自定义文件操作，例如实现新的文件访问权限控制机制网络协议栈的定制添加新协议可以添加新的网络协议，例如支持新的网络应用修改协议参数可以修改网络协议的参数，例如调整TCP连接超时时间内核调试工具的使用内核调试器内核追踪使用内核调试器，例如kgdb、kdb、gdb等，可以调试内使用内核追踪工具，例如ftrace、kprobe等，可以记录内核代码，分析内核运行状态核运行轨迹，分析内核性能和问题性能优化实践案例与资源管理cgroups资源限制资源隔离使用cgroups限制进程组的CPU、内存、IO等资源使用将进程组隔离，防止它们相互影响与隔离技术namespaces网络隔离进程隔离使用namespaces隔离进程的网使用namespaces隔离进程的进络环境，防止它们相互访问网络程空间，防止它们相互影响资源与动态追踪eBPF内核追踪使用eBPF追踪内核运行状态，分析系统性能和问题安全增强eBPF可以用于安全增强，例如检测恶意程序容器化实践Linux容器创建使用docker命令创建容器，将应用程序打包成容器镜像容器运行使用docker命令运行容器，启动容器镜像与系统管理Systemd系统启动管理服务管理使用systemctl命令控制系统启动和管理，可以控制系统使用systemctl命令管理系统服务，例如网络服务、数据服务和进程库服务等内核安全机制解析Linux安全模块内核提供了安全模块，例如SELinux、2AppArmor等，可以增强系统安全用户权限管理性1Linux内核通过用户权限管理，限制用户访问系统资源安全策略安全模块可以配置安全策略，限制3用户和进程的访问权限与强制访问控制SELinux安全策略SELinuxSELinux使用强制访问控制机制，限制用户和进程的访问权SELinux可以配置安全策略，定义用户和进程的访问权限限。