Linux内核的作用

一、前言

Linux操作系统是当今世界上最为广泛使用的开源操作系统之一，内核则是一个操作系统的核心和灵魂所在。对于一名Linux驱动开发者来说，了解Linux内核的运行机制和Linux内核提供的一些关键功能（如虚拟内存管理、进程管理、文件系统、网络协议栈等）都是我们日常工作和学习的重点。

今天就从宏观的角度来给大家分享一下Linux内核在Linux系统中到底处于一个什么样的地位，以及我们应该如何学习Linux内核？

二、Linux内核的作用

Linux内核的功能主要是将应用层请求传递给硬件，并作为底层驱动程序，以寻址系统中的各种设备和组件。下面从几个不同的角度简单的总结一下Linux内核的作用：

从技术层面讲，内核是硬件与软件之间的一个中间层。作用是将应用层序的请求传递给硬件，并充当底层驱动程序，对系统中的各种设备和组件进行寻址。

从应用程序的层面讲，应用程序与硬件没有联系，只与内核有联系，内核是应用程序知道的层次中的最底层。在实际工作中内核抽象了相关细节。

内核是一个资源管理程序。负责将可用的共享资源(CPU时间、磁盘空间、网络连接等)分配得到各个系统进程。

内核就像一个库，提供了一组面向系统的命令。系统调用对于应用程序来说，就像调用普通函数一样。

通过上面的介绍我们知道了Linux内核是链接硬件和上层应用的桥梁，通过这个桥梁我们可以直接在上层完成对硬件的操作。这么看来Linux内核其实更像是一个管家，这个管家统筹管理这我们系统的所有资源，你有什么请求只需要告诉这个管家即可，而不用去关心这件事情到底是怎么完成的。

为了使得这个“管家”更好的管理我们的系统资源，Linux内核中内注入了以下几个功能：

系统管理： Linux内核负责管理计算机硬件资源，包括处理器、内存、磁盘、网络等。它与系统的其他部分（如驱动程序和系统库）协同工作，确保良好的资源分配和管理。

进程管理： Linux内核实现了进程管理机制，控制和调度各个运行的程序。它负责创建、销毁和切换进程，确保系统资源的合理利用，并提供进程间通信和同步机制。

文件系统： Linux内核支持多种文件系统，如Ext4、Btrfs、XFS等，负责管理和操作文件和目录。它提供了强大的文件权限、安全性以及数据完整性保护机制。

设备驱动程序： Linux内核用于管理和控制硬件设备，通过设备驱动程序与各种设备进行交互。它为各类硬件提供支持，如显示器、鼠标、键盘、网络接口等，使得这些设备能够在Linux系统上正常运行。

除了上面的几个重要部分外Linux内核还提供了网络协议栈、虚拟化技术和容器、安全机制等技术。所以Linux内核是Linux系统的重要组成部分，也是Linux系统必不可少的存在。

三、驱动开发为什么要学习内核

通过上面的介绍我们知道驱动开发其实也属于内核开发的一部分，驱动的作用也是处理上层发送的请求，并传递给硬件。所以作为一名驱动开发工程师我们不但要学习如何编写Linux驱动程序，还要熟悉Linux内核的运行机制是非常重要的。

我认为作为一名驱动开发工程师之所以需要学习和熟悉Linux内核主要出于以下几点考虑：

3.1 理解系统底层机制与架构

Linux内核是一个复杂而庞大的项目，它涵盖了各种子系统、模块和设备驱动程序。作为一个驱动开发工程师，理解Linux内核的体系结构和机制可以让你更熟悉操作系统的底层工作原理。这包括进程管理、内存管理、文件系统、网络协议栈等。了解这些底层机制可以帮助我们更好地编写高效且稳定的设备驱动程序。

3.2 与内核接口进行交互

驱动开发工程师经常需要与Linux内核中的各种接口进行交互，以实现设备的初始化、配置和数据传输等操作。学习Linux内核知识可以帮助我们理解这些接口的使用方法和特点。例如，了解设备模型和总线框架可以帮助你构建设备驱动程序；了解字符设备和块设备接口可以帮助你进行输入输出操作。

3.3 故障排查和错误调试

在驱动开发过程中，经常会遇到各种故障和错误。这可能涉及设备初始化失败、数据传输错误、性能下降等问题。熟悉Linux内核可以帮助我们更有效地进行故障排查和错误调试。我们可以使用内核日志、调试工具和跟踪技术来定位问题，并深入了解内核中相关模块的行为。这样能够快速识别和解决问题，提高驱动程序的质量和可靠性。

3.4 驱动程序优化与性能提升

学习Linux内核知识有助于掌握一些高级技术和最佳实践，以优化驱动程序的性能。Linux内核提供了丰富的功能和特性，如中断处理、内存管理、数据缓存、并发控制等机制。了解这些机制可以更好地利用内核资源，减少不必要的开销，并提高驱动程序的性能，使你能够编写更高效、可扩展和可维护的驱动程序。

四、需要学习内核哪些知识

为了更好地编写驱动程序，我在这里给大家推荐几个内核需要学习的方向，首先就是系统级别的进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动、网络等知识。

进程管理进程管理的重点是进程的执行。它的作用是调度控制系统中的多个进程对CPU 的访问，使得多个进程能在CPU 中微观串行，宏观并行地执行。进程调度处于系统的中心位置，内核中其他的子系统都依赖它，因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。

内存管理它主要提供对内存资源的访问控制。Linux系统会在硬件物理内存和进程所使用的内存（称作虚拟内存）之间建立一种映射关系，这种映射是以进程为单位，因而不同的进程可以使用相同的虚拟内存，而这些相同的虚拟内存，可以映射到不同的物理内存上。

虚拟文件系统随着计算机技术的进步，存储和组织数据的方法也是在不断进步的，从而导致有多种类型的文件系统（如：FAT、FAT32）。而为了兼容，操作系统或者内核，要以相同的表现形式，同时支持多种类型的文件系统，这就延伸出了虚拟文件系统（VFS）的概念。VFS的功能就是管理各种各样的文件系统，屏蔽它们的差异，以统一的方式，为用户程序提供访问文件的接口。

网络接口网络子系统在Linux内核中主要负责管理各种网络设备，并实现各种网络协议栈，最终实现通过网络连接其它系统的功能。

五、学习Linux内核误区

学内核最难的就是不知道从哪里开始学，这让新手感到很困惑，想学会但不知道如何下手。一方面又希望自己能学懂，但是又不知道如何开始入手。这里给大家简单介绍一下我们在学习Linux内核的过程中容易踩的坑。

我列举几个常见的例子：

1、初学者学习内核容易产生的误区上来就看内核源码，结果完全看不懂，学习两天就放弃了。

2、抓住一本书就开始啃，比如《深入Linux内核架构》，看了两天完全不知所云，即使有些能理解了，但是也没记住，结果看了两天也是放弃了。看书可以从一些系统性的教程或者指南开始，逐步增加难度

3、对某个知识容易钻牛角尖，刚开始就想一口气把一个知识点弄懂，抓住一个知识点往死里啃。这种做法可能会让你陷入一个死胡同，因为有些知识点需要通过多个方面来理解，而不是仅仅通过一个方面

还有很多类似的问题，这些问题在初学阶段其实很常见。我们学习的时候要注意学习方法，不要随便挑选难度太高的内容，学习要循序渐进。

 

　　审核编辑：汤梓红