深入浅出的介绍Linux 内核
嵌入式技术
描述
Linux 内核是一种开源的类 Unix 操作系统宏内核。
Linux 内核是 Linux 操作系统的主要组件，也是计算机硬件与其进程之间的核心接口。它负责两者之间的通信，还要尽可能高效地管理资源。之所以称为内核，是因为它在操作系统中就像果实硬壳中的种子一样，并且控制着硬件的所有主要功能。内核的用途主要有以下 4 项工作：
内存管理：追踪记录有多少内存存储了什么以及存储在哪里
进程管理：确定哪些进程可以使用中央处理器、何时使用以及持续多长时间
设备驱动程序：充当硬件与进程之间的调解程序/解释程序
系统调用和安全防护：从流程接受服务请求
在正确实施的情况下，内核对于用户是不可见的，它在自己的小世界(称为内核空间)中工作，并从中分配内存和跟踪所有内容的存储位置。用户所看到的内容则被称为用户空间。这些应用通过系统调用接口(SCI)与内核进行交互。
Linux系统内核概述
1. 内核简介
单内核体系设计、但充分借鉴了微内核设计体系的优点，为内核引入模块化机制。
Linux 内核的重要组成部分，主要有以下几部分：
kernel
内核核心，一般为 bzImage
通常在 /boot 目录下，名称为 vmlinuz-VERSION-RELEASE
kernel object
内核对象，一般放置于 /lib/modules/VERSION-RELEASE/
[ ] ==> N ==> 不编译进内核
[M] ==> M ==> 编译为模块文件
[*] ==> Y ==> 编译进内核
辅助文件(ramdisk)
initrd
initramfs
2. 内核模块
2.1 uname 命令
使用格式
uname [OPTION]...
参数解释
-n 显示节点名称
-r 显示VERSION-RELEASE
-s 内核名称
-v 内核版本
-n 节点名
-m 硬件名称
-i 硬件平台
-p 处理器类型
-o 操作系统
# uname -m i686 # uname -r 2.6.32-573.22.1.el6.i686 # uname -a Linux MyServer 2.6.32-573.22.1.el6.i686 ... i686 i386 GNU/Linux
2.2 lsmod 命令
显示由核心已经装载的内核模块
命令定义
显示的内容来自于: /proc/modules 文件。
使用 lsmod 命令时，常会采用类似 lsmod | grep -i ext4 这样的命令来查询系统是否加载了某些模块。
# cat /proc/modules iptable_filter 2173 0 - Live 0xed9b2000 ip_tables 9567 1 iptable_filter, Live 0xed9a9000 ext3 203718 1 - Live 0xed962000 jbd 65315 1 ext3, Live 0xed904000 xenfs 4360 1 - Live 0xed8e6000 ipv6 271097 14 - Live 0xed88e000 xen_netfront 15871 0 - Live 0xed7d9000 ext4 339812 2 - Live 0xed764000 jbd2 75927 1 ext4, Live 0xed6d9000 mbcache 6017 2 ext3,ext4, Live 0xed6b7000 xen_blkfront 19209 5 - Live 0xed69f000 dm_mirror 11969 0 - Live 0xed68d000 dm_region_hash 9644 1 dm_mirror, Live 0xed67e000 dm_log 8322 2 dm_mirror,dm_region_hash, Live 0xed672000 dm_mod 84711 11 dm_mirror,dm_log, Live 0xed64e000
# lsmod | grep ext4 ext4 339812 2 jbd2 75927 1 ext4 mbcache 6017 2 ext3,ext4
字段含义
第 1 列：表示模块的名称
第 2 列：表示模块的大小
第 3 列：表示依赖模块的个数
第 4 列：表示依赖模块的内容
# lsmod Module Size Used by iptable_filter 2173 0 ip_tables 9567 1 iptable_filter ext3 203718 1 jbd 65315 1 ext3 xenfs 4360 1 ipv6 271097 14 xen_netfront 15871 0 ext4 339812 2 jbd2 75927 1 ext4 mbcache 6017 2 ext3,ext4 xen_blkfront 19209 5 dm_mirror 11969 0 dm_region_hash 9644 1 dm_mirror dm_log 8322 2 dm_mirror,dm_region_hash dm_mod 84711 11 dm_mirror,dm_log
2.3 modinfo 命令
显示模块的详细描述信息
命令定义
modinfo 列出 Linux 内核中命令行指定的模块的信息。
modinfo 能够查询系统中未安装的模块信息。
若模块名不是一个文件名，则会在 /lib/modules/version 目录中搜索，就像 modprobe 一样。
modinfo 默认情况下，为了便于阅读，以下面的格式列出模块的每个属性：fieldname : value。
语法
modinfo [选项] [ modulename|filename... ]
选项
-n 只显示模块文件路径
-p 显示模块参数
-a author
-d description
-l license
-0 使用’’字符分隔 field 值，而不是一个新行，对脚本比较有用
实战演示
# modinfo ext4 filename: /lib/modules/2.6.32-573.22.1.el6.i686/kernel/fs/ext4/ext4.ko license: GPL description: Fourth Extended Filesystem author: Remy Card, Stephen Tweedie, Andrew Morton, Andreas Dilger, Theodore and others srcversion: CB1B990F5A758DFB0FB12F1 depends: mbcache,jbd2 vermagic: 2.6.32-573.22.1.el6.i686 SMP mod_unload modversions 686 # modinfo btrfs filename: /lib/modules/2.6.32-573.22.1.el6.i686/kernel/fs/btrfs/btrfs.ko license: GPL alias: devname:btrfs-control alias: char-major-10-234 srcversion: B412C18B0F5BF7F1B3C941A depends: libcrc32c,zlib_deflate,lzo_compress,lzo_decompress vermagic: 2.6.32-573.22.1.el6.i686 SMP mod_unload modversions 686
2.4 modprobe 命令
装载或卸载内核模块
命令定义
配置文件
/etc/modprobe.conf
/etc/modprobe.d/*.conf
解决依赖
modprobe需要一个最新的modules.dep文件，可以用depmod来生成
该文件列出了每一个模块需要的其他模块，modprobe使用这个去自动添加或删除模块的依赖
# modules.dep为解决依赖的配置文件，modules.dep.bin二进制文件运行 # ls /lib/modules/2.6.32-358.6.1.el6.i686/ build modules.block modules.ieee1394map modules.ofmap modules.symbols.bin weak-updates extra modules.ccwmap modules.inputmap modules.order modules.usbmap kernel modules.dep modules.isapnpmap modules.pcimap source modules.alias modules.dep.bin modules.modesetting modules.seriomap updates modules.alias.bin modules.drm modules.networking modules.symbols vdso
语法
modprobe [ -c ]
modprobe [ -l ] [ -t dirname ] [ wildcard ]
modprobe [ -r ] [ -v ] [ -n ] [ -i ] [ modulename … ]
选项
-v
显示程序在干什么，通常在出问题的情况下，modprobe 才显示信息
-C
重载，默认配置文件(/etc/modprobe.conf 或 /etc/modprobe.d)
-c
输出配置文件并退出
-n
可以和 -v 选项一起使用，调试非常有用
-i
该选项会使得 modprobe 忽略配置文件中的，在命令行上输入的 install 和 remove
-q
一般 modprobe 删除或插入一个模块时，若没有找到会提示错误。使用该选项，会忽略指定的模块，并不提示任何错误信息。
-r
该选项会导致 modprobe 去删除，而不是插入一个模块
通常没有没有理由去删除内核模块，除非是一些有 bug 的模块
-f
使用该选项是比较危险的
和同时使用 –force-vermagic，–force-modversion 一样
-l
列出所有模块
-a
插入所有命令行中的模块
-t
强制 -l 显示 dirname 中的模块
-s
错误信息写入 syslog
2.5 depmod 命令
内核模块依赖关系文件及系统信息映射文件的生成工具
语法
depmod [-adeisvV][-m <文件>][--help][模块名称]
参数
-a 分析所有可用的模块
-d 执行排错模式
-e 输出无法参照的符号
-i 不检查符号表的版本
-m<文件> 使用指定的符号表文件
-s 在系统记录中记录错误
-v 执行时显示详细的信息
-V 显示版本信息
--help 显示帮助
2.6 insmod 和 rmmod 命令
装载或卸载内核模块
不解决依赖关系，需要自己手动卸载
insmod命令
向 Linux 内核中插入一个模块
insmod 是一个向内核插入模块的小程序
大多数用户使用 modprobe 因为它比较智能化
insmod [ filename ] [ module options... ]
rmmod命令
命令解析
删除内核中的一模块
rmmod 是一个可以从内核中删除模块的小程序，大多数用户使用modprobe -r去删除模块
语法格式
rmmod [ modulename ]
参数选项
-f
除非编译内核时 CONFIG_MODULE_FORCE_UNLOAD 被设置该命令才有效果，否则没效果
用该选项可以删除正在被使用的模块，设计为不能删除的模块，或者标记为 unsafe 的模块
-w
rmmod 拒绝删除正在被使用的模块
使用该选项后，指定的模块会被孤立起来，直到不被使用
-s
将错误信息写入 syslog，而不是标准错误(stderr)
3. /proc 目录
内核把自己内部状态信息及统计信息，以及可配置参数通过 proc 伪文件系统加以输出。
# ls /proc/ 1 1173 22 29855 35 47 60 973 filesystems loadavg scsi version 10 12 23 3 36 48 600 buddyinfo fs locks self vmallocinfo 1071 13 232 30 37 49 61 bus interrupts mdstat slabinfo vmstat 1082 14 234 31 38 5 62 cgroups iomem meminfo softirqs xen 1085 15 24 31314 39 528 7 cmdline ioports misc stat zoneinfo 11 16 25 317 4 531 739 cpuinfo irq modules swaps 1150 17 252 318 40 543 8 crypto kallsyms mounts sys 1162 18 253 32 41 56 808 devices kcore mtd sysrq-trigger 1163 19 26 320 42 566 830 diskstats keys net sysvipc 1165 1908 27 33 43 567 853 dma key-users pagetypeinfo timer_list 1167 2 28 330 44 57 9 driver kmsg partitions timer_stats 1169 20 29 334 45 59 94 execdomains kpagecount sched_debug tty 1171 21 29853 34 46 6 95 fb kpageflags schedstat uptime
3.1 sysctl 命令
语法格式
sysctl(选项)(参数)
命令参数
-n 打印值时不打印关键字
-e 忽略未知关键字错误
-N 仅打印名称
-w 当改变 sysctl 设置时使用此项
-p 从配置文件 /etc/sysctl.conf 加载内核参数设置
-a 打印当前所有可用的内核参数变量和值
-A 以表格方式打印当前所有可用的内核参数变量和值
默认配置文件
/etc/sysctl.conf
命令使用方式
(1) 设置某参数
sysctl -w parameter=VALUE
(2) 通过读取配置文件设置参数
sysctl -p [/path/to/conf_file]
参数说明
只读：输出信息
可写：可接受用户指定“新值”来实现对内核某功能或特性的配置/proc/sys
两种修改方式
(1) sysctl 命令用于查看或设定此目录中诸多参数
sysctl -w path.to.parameter=VALUE
sysctl -w kernel.hostname=mail.escapelife.com
(2) echo 命令通过重定向的方式也可以修改大多数参数的值
echo "VALUE" > /proc/sys/path/to/parameter
echo "www.escapelife.com" > /proc/sys/kernel/hostname
配置文件中常用的几个参数
net.ipv4.ip_forward
/proc/sys/net/ipv4/ip_forward
vm.drop_caches
/proc/sys/vm/drop_caches
kernel.hostname
/proc/sys/kernel/hostname
3.2 修改配置文件
# cat /etc/sysctl.conf # Kernel sysctl configuration file for Red Hat Linux # Controls IP packet forwarding net.ipv4.ip_forward = 0 # Controls source route verification net.ipv4.conf.default.rp_filter = 1 # Do not accept source routing net.ipv4.conf.default.accept_source_route = 0 # Controls the System Request debugging functionality of the kernel kernel.sysrq = 0 # Controls whether core dumps will append the PID to the core filename. # Useful for debugging multi-threaded applications. kernel.core_uses_pid = 1 # Controls the use of TCP syncookies net.ipv4.tcp_syncookies = 1 # Disable netfilter on bridges. net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 0 net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 0 net.bridge.bridge-nf-call-arptables = 0 # Controls the default maxmimum size of a mesage queue kernel.msgmnb = 65536 # Controls the maximum size of a message, in bytes kernel.msgmax = 65536 # Controls the maximum shared segment size, in bytes kernel.shmmax = 4294967295 # Controls the maximum number of shared memory segments, in pages kernel.shmall = 268435456 # Auto-enabled by xs-tools:install.sh net.ipv4.conf.all.arp_notify = 1
3.3 实战演示
# 查看所有可读变量 sysctl -a # 修改对应参数 sysctl -w kernel.sysrq=0 sysctl -w kernel.core_uses_pid=1 sysctl -w net.ipv4.conf.default.accept_redirects=0 # 如果希望屏蔽别人 ping 你的主机，配置文件修改 net.ipv4.icmp_echo_ignore_all = 1 # 编辑完成后，请执行以下命令使变动立即生效 /sbin/sysctl -p /sbin/sysctl -w net.ipv4.route.flush=1
4. /sys 目录
sysfs 伪文件系统，输出内核识别出的各硬件设备的相关属性信息，也有内核对硬件特性的设定信息。有些参数是可以修改的，用于调整硬件工作特性。
4.1 udev
udev 是运行用户空间程序。
udev 通 /sys/ 路径下输出的信息动态为各设备创建所需要设备文件。
udev 是 Linux 内核的设备管理器，它取代了 udevadmin 和 hotplug，负责管理 /dev 中的设备节点。
udev 也处理所有用户空间发生的硬件添加、删除事件，以及某些特定设备所需的固件加载。
udev 为设备创建设备文件时，会读取其事先定义好的规则文件，一般在 /etc/udev/rules.d 及 /usr/lib/udev/rules.d 目录下。
4.2 ramdisk 文件的制作
方法一
mkinitrd 命令
为当前正在使用的内核重新制作 ramdisk 文件
mkinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)
# 移动ramdisk文件到/root目录下 mv /boot/initramfs-2.6.32...img /root # 为当前正在使用的内核重新制作ramdisk文件 mkinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)
方法二
dracut 命令
为当前正在使用的内核重新制作 ramdisk 文件
dracut /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)
# 移动ramdisk文件到/root目录下 mv /boot/initramfs-2.6.32...img /root # 为当前正在使用的内核重新制作ramdisk文件 dracut /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)
4.3 查看 ramdisk
# 使用file命令查看ramdisk文件发现是以gz压缩存放的 file /boot/initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img # 改名称，解压 cd /boot/ mv initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img.gz gzip -d initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img.gz # 使用file命令查看发现是以cpio存放的文本文件 file initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img # 解压这个文本文件 # 之后会在initrd目录下生成相应的文件，一个微型的/root mkdir initrd cd initrd cpio -id < ../initramfs-2.6.32-504.el6.x86_64.img # 这个时候就可以查看init脚本文件了 cat init # 在sbin文件中存放着相关的命令 ls sbin
5. 编译内核
5.1 前提准备
(1) 准备好开发环境
包组(CentOS 6)
Server Platform Development
Development Tools
(2) 获取目标主机上硬件设备的相关信息
CPU
cat /proc/cpuinfo
x86info -a
lscpu
PCI 设备
lspci
-v
-vv
lsusb
-v
-vv
lsblk
了解全部硬件设备信息
hal-device
(3) 获取到目标主机系统功能的相关信息
(4) 获取内核源代码包
www.kernel.org
5.2 简易安装内核
简易安装
获取当前系统的安装文件作为模块安装较为方便
修改相应的参数即可
只适用于当前特定的内核版本
当前系统的安装文件在 config-2.6.32-504.el6.x86_64
简单依据模板文件的制作内核
# 下载对应的Linux内核版本进行解压缩 # 会在/usr/src目录下创建debug、kernels和linux-3.10.67目录 tar xf linux-3.10.67.tar.xz -C /usr/src # 为了方便多内核共存，使用连接指向 # 会在当前目录下创建一个链接文件 linux -> linux-3.10.67 cd /usr/src ln -sv linux-3.10.67 linux # 创建模板 cd linux # 查看链接指向的文件内容 ls # 拷贝系统自带的模板文件 cp /boot/config-$(uname -r) .config # 打开图形界面配置内核选项，选择添加、删除内核模块 # 添加的默认选项来自.config配置文件 make menuconfig # 使用screen来不中断安装 screen # 采用几个线程进行编译 make -j n # 安装内核 make modules_install # make install中将会安装内容 # 安装bzImage为/boot/vmlinuz-VERSION-RELEASE # 生成initramfs文件 # 编辑grub的配置文件 make install # 重启系统，并测试使用新内核，不是默认启动内核 init 6
5.3 详解编译内核
(1) 配置内核选项
支持“更新”模式进行配置
(a) make config：基于命令行以遍历的方式去配置内核中可配置的每个选项
(b) make menuconfig：基于 curses 的文本窗口界面
(c) make gconfig：基于 GTK 开发环境的窗口界面
(d) make xconfig：基于 Qt 开发环境的窗口界面
支持“全新配置”模式进行配置
(a) make defconfig：基于内核为目标平台提供的“默认”配置进行配置
(b) make allnoconfig: 所有选项均回答为”no“
(2) 编译 - make [-j #]
如何只编译内核中的一部分功能
# (a)只编译某子目录中的相关代码 cd /usr/src/linux make dir/ # (b)只编译一个特定的模块 cd /usr/src/linux make dir/file.ko # 例如：只为e1000编译驱动 make drivers/net/ethernet/intel/e1000/e1000.ko
如何交叉编译内核
# 编译的目标平台与当前平台不相同； make ARCH=arch_name # 要获取特定目标平台的使用帮助 make ARCH=arch_name help
如何在已经执行过编译操作的内核源码树做重新编译
# 事先清理操作 # 清理大多数编译生成的文件，但会保留config文件等 make clean # 清理所有编译生成的文件、config及某些备份文件 make mrproper # mrproper、patches以及编辑器备份文件 make distclean
编辑：黄飞
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