Linux Kernel 3

Linux 内核概览（Overview of the Linux Kernel）

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一、Linux 的开发模式（Linux Development Model）

Linux 内核是世界上最大规模的开源项目之一：

• 拥有数千名开发者参与；
• 每个版本发布时有上百万行代码被新增、修改或删除。

📜 授权协议：GPLv2

Linux 以 $\text{GPLv2}$（GNU General Public License v2）授权发布。

🔒 核心条款：
若某公司对内核进行修改，并将该软件销售或交付给客户，则这些修改后的源代码必须提供给客户。

虽然法律上只要求提供给客户，实际上大多数公司都会将修改后的内核源代码公开发布，以维护社区贡献和合规性。

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二、开发者结构与参与者

Linux 内核的开发者包括：

• 各大公司（即使彼此竞争，也一起维护内核）
• 学术机构
• 独立开发者与爱好者

Linux 社区具有高度开放性和协作性。

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三、固定周期发布模型（Release Model）

当前 Linux 内核采用固定发布周期：

• 每 3~4 个月发布一个正式版本；
• 新功能通过Merge Window合并窗口并入主线。

发布流程：

1. 合并窗口（Merge Window）：

   • 持续 1~2 周；
   • 集中合并新功能和改动。

2. 候选版本（Release Candidate, RC）：

   • 每周发布一次，命名为 rc1、rc2 等；
   • 进入测试与修复阶段。

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四、维护者层级体系（Maintainer Hierarchy）

为了支撑如此庞大的开发量，Linux 内核采用分层的维护者模型：

1. Linus Torvalds

• Linux 之父，也是内核主维护者；
• 主要职责是：从各子系统维护者那里合并 Pull Request。

2. 子系统维护者（Subsystem Maintainers）

• 每个子系统（如网络、文件系统、内存管理等）由一位或多位维护者负责；
• 他们从开发者或驱动作者处接受 patch 或 Pull Request。

3. 各自的 Git 树（Git Tree）

每个维护者都有自己的 Git 仓库，例如：

• Linus Torvalds：
  git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git
• David Miller（网络子系统）：
  git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/davem/net.git/

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五、-next 树与合并策略（-next Trees）

因为合并窗口只有两周，大多数子系统维护者会建立一个 -next 树：

• 该树用于接收下一轮合并窗口的功能补丁；
• 即使主线 Merge Window 关闭，开发者仍可以提交补丁到 -next 分支；
• 当新的合并窗口开启时，再由子系统维护者提交到 Linus 主线。

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六、错误修复的特殊处理（Bug Fixes）

• Bug 修复（特别是回归 bug 和安全问题）不受 Merge Window 限制；
• 维护者可以在任何时间将修复补丁合并进自己的维护树；
• Linus 会在每个 RC 阶段定期从各子系统维护者处 pull 这些修复。

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💡 Linux 的开发方式体现了模块化、分层协作和开放治理，是大型开源项目协作的典范。

Linux 源码顶层目录结构概览（Top-Level Linux Source Code Folders）

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📁 arch

• 含义：架构相关代码（Architecture-specific code）
• 每种 CPU 架构（如 $\text{x86}$、$\text{arm}$、$\text{arm64}$）都有独立子目录；
• 包括启动流程、异常处理、汇编支持、MMU 初始化等平台特定实现。

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📁 block

• 含义：块设备子系统代码（Block Subsystem）
• 管理块设备（如硬盘、SSD）读写流程：
  • 创建 I/O 请求
  • 请求合并与调度（支持多种调度器，如 $\text{CFQ},\text{Deadline},\text{BFQ}$）
  • 下发至底层设备驱动

📌 块设备（Block Device）：按“块”进行读写的设备，如磁盘，不同于按字节流工作的字符设备（如串口）。

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📁 certs

• 含义：证书验证支持模块
• 实现数字签名校验逻辑；
• 用于模块加载签名验证等内核安全机制。

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📁 crypto

• 含义：加密算法实现
• 包含：
  • 各类软件加密算法（如 AES、SHA）
  • 一个可扩展框架：支持将加密操作卸载到硬件加速器

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📁 Documentation

• 含义：内核文档
• 内容包括：
  • 各子系统设计说明
  • 命令行参数参考
  • sysfs 文件格式说明
  • 设备树绑定（Device Tree Bindings）文档

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📁 drivers

• 含义：设备驱动实现
• 涵盖各种设备驱动代码；
• 实现 Linux 驱动模型（Driver Model）：抽象描述设备、驱动、总线和它们之间的连接方式。

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📁 firmware

• 含义：设备固件文件
• 包含以二进制或十六进制形式存储的固件；
• 供驱动加载（如 Wi-Fi、GPU 固件等）。

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📁 fs

• 含义：文件系统模块
• 包含：
  • 通用虚拟文件系统（$\text{VFS, Virtual Filesystem Switch}$）
  • 各种实际文件系统的驱动（如 $\text{ext4}$、$\text{btrfs}$、$\text{fat}$）

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📁 include

• 含义：头文件目录
• 存放内核各模块的公共和私有头文件；
• 是整个编译系统的核心依赖之一。

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📁 init

• 含义：通用启动初始化代码
• 执行系统启动阶段的初始化逻辑（非架构专属）；
• 包括 init 进程初始化、命令行解析等。

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📁 ipc

• 含义：进程间通信机制实现（Inter Process Communication）
• 提供：
  • 消息队列（message queue）
  • 信号量（semaphores）
  • 共享内存（shared memory）

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📁 kernel

• 含义：内核核心代码
• 包括：
  • 进程管理
  • 内核线程、工作队列（$\text{workqueue}$）
  • 调度器（Scheduler）
  • 时间管理、IRQ 中断处理、锁机制等

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📁 lib

• 含义：通用库函数
• 提供：
  • 排序、校验和、压缩/解压缩
  • 位图处理、数学函数、哈希表等通用逻辑

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📁 mm

• 含义：内存管理（Memory Management）
• 涵盖：
  • 物理内存与虚拟内存的管理
  • 分配器（如 $\text{SLAB}$、$\text{SLUB}$、$\text{CMA}$）
  • 分页机制、交换（swap）、虚拟地址映射等

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📁 net

• 含义：网络协议栈实现
• 包括：
  • IPv4 / IPv6 协议
  • BSD socket 实现
  • 路由、包调度、网桥、流控等模块

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📁 samples

• 含义：示例代码
• 提供设备驱动或子系统的示例实现，方便开发者参考。

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📁 scripts

• 含义：构建与工具脚本
• 包括：
  • 内核模块构建脚本
  • $\text{kconfig}$ 配置系统
  • 检查补丁风格的脚本（如 checkpatch.pl）

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📁 security

• 含义：Linux 安全模块框架（LSM）
• 实现：
  • 安全扩展模块，如 $\text{SELinux},\text{AppArmor},\text{Smack},\text{Tomoyo}$
  • 基于钩子的访问控制机制

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📁 sound

• 含义：音频系统支持
• 包括：
  • $\text{ALSA}$（Advanced Linux Sound Architecture，高级音频框架）
  • 旧的 $\text{OSS}$（Open Sound System）

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📁 tools

• 含义：用户态工具集
• 提供用于测试、调试或与内核子系统交互的工具程序（如 perf, bpf 工具等）

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📁 usr

• 含义：内嵌 initrd 支持
• 支持将 initrd 初始根文件系统嵌入进内核镜像中。

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📁 virt

• 含义：KVM 虚拟化子系统
• 包含 $\text{KVM}$（Kernel-based Virtual Machine）的核心代码；
• 提供对硬件虚拟化支持（Intel VT、AMD-V 等）。

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Linux 内核核心子系统详解（详细概览）

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📁 arch - 架构相关代码（Architecture Specific Code）

该目录包含与特定 CPU 架构（如x86、ARM、MIPS等）相关的实现：

• 可进一步细分为机器特定代码（machine specific code），例如针对特定主板或 SoC 的支持；
• 包含与启动加载器（boot loader）的接口，以及架构初始化流程；
• 提供对架构特定硬件的访问接口，包括：
  • 中断控制器（interrupt controller）
  • 多核处理控制器（SMP controllers）
  • 总线控制器（BUS controllers）
  • 异常与中断初始化（exceptions & interrupt setup）
  • 虚拟内存处理（virtual memory handling）

此外还实现了架构优化函数（例如$memcpy$、字符串操作等）。

🏗️ Linux 最初是在$32$位的$x86$(386及以上)架构上开发的。如今支持的架构包括（但不限于）：

• Compaq Alpha AXP、Sun SPARC、Motorola 68000、PowerPC、ARM、IBM S/390、MIPS、IA-64、AMD x86-64等

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📁 drivers - 设备驱动

Linux 内核使用统一的设备模型（device model），用于维护反映系统当前状态的数据结构，包括：

• 当前存在哪些设备
• 它们连接在哪个总线上
• 它们关联到哪个驱动程序
• 当前状态是否活动

这些信息对于实现系统电源管理、设备热插拔、设备发现与移除等功能至关重要。

每个子系统都有特定的驱动接口，针对其代表的设备类型设计，以简化驱动编写并减少重复代码。

支持的设备类型极其广泛，包括：

• TTY、串口(serial)、SCSI、文件系统、以太网、USB、帧缓冲(framebuffer)、输入设备、音频等

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👤 进程管理（Process Management）

Linux 实现了标准 Unix 风格的进程管理接口：

• $fork()$：创建子进程
• $exec()$：替换当前进程映像
• $wait()$：等待子进程结束
• POSIX 线程支持（pthreads）

但与其他操作系统不同：

• 内核没有分开的“进程”或“线程”结构；
• 所有任务都用一个统一的数据结构描述：$structtask\_struct$，代表一种抽象的调度单元（task）。

每个任务包含指向各种资源的指针，如：

• 地址空间（address space）
• 文件描述符（file descriptors）
• IPC 资源（信号量、消息队列、共享内存等）

同一个进程中的多个任务共享资源指针；
不同进程的任务拥有独立资源指针。

这种抽象模型，加上$clone()$与$unshare()$系统调用，支持构建如**命名空间（namespace）**这类先进特性。

✳️ 命名空间（Namespace）

用于对进程视图进行隔离（如文件系统、PID、网络栈等），配合控制组$cgroup$实现 Linux 容器化（操作系统级虚拟化）。

✳️ 控制组（cgroup）

允许将进程分层管理，并按照配置规则对系统资源（如CPU、内存、IO）进行分配。

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🧠 内存管理（Memory Management）

Linux 的内存管理子系统非常复杂，主要包括：

1. 物理内存管理（Physical Memory）

• 分配与释放实际 RAM 空间
• 页帧管理（page allocator）

2. 虚拟内存管理（Virtual Memory）

• 分页机制（paging）
• 交换空间（swapping）
• 按需加载（demand paging）
• 写时复制（Copy-on-write）

3. 用户服务接口

• 管理用户空间内存：$mmap()$、$brk()$、共享内存（$shm$）

4. 内核服务接口

• 内核分配器：$SLAB$/$SLUB$/$SLOB$ 等
• 虚拟分配接口：$vmalloc$、高端内存管理等

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💽 块 I/O 管理（Block I/O Management）

Linux 的块 I/O 子系统处理与块设备（如硬盘、SSD）的读写操作，工作流程包括：

• 创建块 I/O 请求（block I/O requests）
• 请求重组与转换（如用于软件 RAID、LVM）
• 请求合并与排序
• 通过多个 I/O 调度器调度请求并下发给块设备驱动程序
  

常见的调度器包括$noop$、$deadline$、$cfq$、$bfq$等

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虚拟文件系统开关（VFS：Virtual Filesystem Switch）

Linux 的 VFS（Virtual Filesystem Switch）实现了一套通用/抽象的文件系统接口，用于简化和统一各种实际文件系统驱动的开发，避免代码重复。

VFS 引入了多个关键数据结构，用于抽象表示文件系统内部的各个组成部分：

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📂 核心结构体（文件系统抽象）

• $inode$：表示磁盘上的文件本体，包括：

  • 文件属性（如权限、大小、创建时间等）
  • 数据块在磁盘上的位置

• $dentry$（目录项）：将$inode$与一个文件名 目录结构中的路径关联起来；

  • 例如：路径$"/home/user/file.txt"$对应某个$inode$的$dentry$条目

• $file$：表示一个打开的文件，包含文件状态信息：

  • 如当前文件偏移（file pointer）
  • 访问权限、标志等

• $superblock$：描述整个已格式化的文件系统的元信息，包括：

  • 总块数（number of blocks）
  • 块大小（block size）
  • 根目录所在磁盘位置
  • 是否启用加密等信息

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🧠 缓存机制（Caching in VFS）

为了提高文件系统性能，VFS 实现了一套多层缓存机制：

1. $inode$ 缓存

• 缓存文件属性与内部元信息（metadata）
• 减少对磁盘的频繁访问

2. $dentry$ 缓存

• 缓存目录结构（路径信息），加快路径解析（path lookup）

3. 页面缓存（$page$ cache）

• 缓存文件内容（数据块）；
• 数据读写操作优先走内存，提升性能，避免频繁读写磁盘

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Linux 安全模块（LSM：Linux Security Modules）

Linux 安全模块（LSM）是一套钩子机制（hook mechanism），用于扩展默认的 Unix 权限模型，支持各种安全框架。

LSM 的主要功能是：允许内核在敏感操作（如访问文件、创建进程）前后插入自定义的安全检查逻辑。

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🔒 已集成的主要安全模块（基于 LSM）

• SELinux（Security-Enhanced Linux）：基于强制访问控制（MAC）的安全模块
• AppArmor：基于配置文件路径规则的 MAC 实现
• Tomoyo：可视化策略定义系统，强调人类可读性
• Smack（Simplified Mandatory Access Control Kernel）：简化的 MAC 模块

📌 通过 LSM，Linux 可以支持企业级强安全隔离、容器安全、最小权限设计等。

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