本文发表于Linux Format magazine杂志，作者从技能深度上解说了Linux Kernel是怎么作业的。信任对Linux开发者来说有不小的协助。
牛津字典中对kernel一词的界说是：较软的、一般是一个坚果可食用的部分。当然还有第二种界说：某个东西中心或许最重要的部分。对Linux来说，它的Kernel无疑归于第二种解说。让咱们来看看这个重要的东西是怎么作业的，先从一点理论说起。
广义地来说kernel便是一个软件，它在硬件和运转在核算机上的运用程序之间供给了一个层。严厉点从核算机科学的视点来说，Linux中的Kernel指的是Linus Torvalds在90年代初期写的那点代码。
一切的你在Linux各版别中看到的其他东西–Bash shell、KDE窗口办理器、web浏览器、X服务器、Tux Racer以及一切的其他，都不过是运转在Linux上的运用罢了，而不是操作体系本身的一部分。为了给咱们一个愈加直观的感觉，我来举个比方，比方 RHEL5的装置大概要占有2.5GB的硬盘空间（详细多大当然视你的挑选装置来定），在这其间，kernel以及它的各个模块组件，只要47MB，所占份额约为2%。
在kernel内部
那么kernel究竟是怎么作业的呢?如下面的图表。Kernel经过许多的进入端口也便是咱们从技能视点所说的体系调用，来使得运转在它上面的运用程序可用。Kernel运用的体系调用比方读和写来供给你硬件的笼统（abstraction）。
从程序员的视角来看，这些看起来仅仅一般的功用调用，可是实践上体系调用在处理器的操作形式上，从用户空间到Kernel空间有一个显着的切换。一起，体系调用供给了一个Linux虚拟机，能够被以为是对硬件的笼统。
Kernel供给的更显着的笼统之一是文件体系。举例来说，这儿有一段短的程序是用C写的，它翻开了一个文件并将内容复制到规范的输出：
#include fcntl.h>
int main()
{
int fd, count; char buf[1000];
fd=open(mydata, O_RDONLY);
count = read(fd, buf, 1000);
write(1, buf, count);
close(fd);
}
在这儿，你能够看到四个体系调用的比方：翻开、读、写和封闭。不谈这段程序语法的细节，重点是：经过这些体系调用Linux Kernel供给了一个文件的幻觉，而实践上它不过是一堆数据有了个姓名，这样一来你就不用去与硬件底层的仓库、分区、头和指针、分区等交涉了，而是直接以比方中的办法与硬件沟通，这也便是咱们所说的笼统（abstraction），将底层的东西以更易懂的办法表达出来。
台前幕后
体系文件是Kernel供给的较为显着的一种笼统。还有一些特性不是这么的显着，比方进程调度。任何一个时刻，都或许有好几个进程或许程序等待着运转。 Kernel的时刻调度给每个进程分配CPU时刻，所以就一段时刻内来说，咱们会有种幻觉：电脑同一时刻运转好几个程序。这是别的一个C程序：
#include stdlib.h>
main()
{
if (fork()) {
write(1, Parentn, 7);
wait(0);
exit(0);
}
else {
write(1, Childn, 6);
exit(0);
}
}
在这个程序中创立了一个新进程，而本来的进程（父进程）和新进程（子进程）都编写了规范输出然后完毕。留意体系调用fork(), exit() 以及 wait()履行程序的创立、完毕和各自同步。这是进程办理和调度中最典型的简略调用。
Kernel还有一个愈加不易见到的功用，连程序员都不易发觉，那便是存储办理。每个程序运转得都如同它有个自己的地址空间来调用相同，实践上它跟其他进程相同同享核算机的物理存储，假如体系运转的存储过低，它的地址空间乃至会被磁盘的交互区暂时寄用。存储办理的别的一个方面是避免一个进程拜访其他进程的地址空间–关于多进程操作体系来说这是很必要的一个防范措施。
Kernel相同还装备网络链接协议比方IP、TCP和UDP等，它们在网络上供给机器对机器（machine-to-machine）和进程对进程（process-to-process）的通讯。这儿又会形成一种假象，即TCP在两个进程之间供给了一个固定衔接–就如同衔接两个电话的铜线相同，实践中却并没有固定的衔接，特别的引证协议比方FTP、DNS和HTTP是经过用户级程序来施行的，而并非Kernel的一部分。
Linux（像之前的Unix）在安全方面口碑很好，这是由于Kernel盯梢记录了每个运转进程的user ID和group ID，每次当一个运用妄图拜访资源（比方翻开一个文件来写入）的时分，Kernel就会核对文件上的拜访答应然后做出答应/制止的指令。这种拜访操控形式终究对整个Linux体系的安全效果很大。
Kernel还供给了一大套模块的调集，其功用包含怎么处理与硬件设备沟通的许多细节、怎么从磁盘读取一个分区、假如从网络接口卡获取数据包等。有时咱们称这些为设备驱动。
模块化的Kernel
现在咱们队Kernel是做什么的已经有了一些了解，让咱们再来简略看下它的物理组成。前期版别的Linux Kernel是整体式的，也便是说一切的部件都静态地衔接成一个（很大的）履行文件。
相比较而言，现在的Linux Kernel是模块化的：许多功用包含在模块内，然后动态地载入kernel中。这使得kernel的内核很小，并且在运转kernel时能够不用reboot就能载入和代替模块。
Kernel的内核在boot time时从坐落/boot 目录的一个文件加载进存储中，一般这个/boot 目录会被叫做KERNELVERSION，KERNELVERSION与kernel版别有关。（假如你想知道你的kernel版别是什么，运转指令行显现体系信息-r。）kernel的模块坐落目录/lib/modules/KERNELVERSION之下，一切的组件都会在kernel装置时被复制。
办理模块
大部分情况下，Linux办理它的模块不需求你的帮助，可是假如必要的时分有指令行能够来手动查看和办理模块。比方，为了查清楚当时究竟哪个模块在载入kernel。这儿有一个输出的比方：
# lsmod
pcspkr 4224 0
hci_usb 18204 2
psmouse 38920 0
bluetooth 55908 7 rfcomm,l2cap,hci_usb
yenta_socket 27532 5
rsrc_nonstatic 14080 1 yenta_socket
isofs 36284 0
输出的内容包含：模块的姓名、巨细、运用次数和依靠于它的模块列表。运用次数对避免卸载当时活泼的模块十分总要。Linux只答应运用次数为零的模块被移除。
你能够运用modprobe来手动加载和卸载模块，（还有两个指令行叫做insmod和rmmod，但modprobe更易于运用由于它主动移除了模块依靠）。比方lsmod的输出在咱们的电脑上显现了一个名叫isofs的卸载模块，它的运用次数是零并且没有依靠模块，（isofs是一个模块，它支撑CD 上运用的ISO体系文件格局）这种情况下，kernel会答应咱们卸载模块：
# modprobe -r isofs
现在，isofs不再显现在Ismod的输出中，kernel由此节省了36,284字节的存储。假如你放入CD并且让它主动装置，kernel将主动从头载入isofs模块，并且isofs的运用次数增加到1次。假如这时分你还企图移除模块，就不会成功了由于它正在被运用：
# modprobe -r isofs
FATAL: Module isofs is in use.
Lsmod仅仅列出了当时被载入的模块，modprobe则将列出一切可用的模块，它实践上输出了/lib/modules/KERNELVERSION目录下一切的模块，名单会很长！
实践上，运用modprobe来手动加载一个模块并不常见，但的确能够经过modprobe指令行来对模块设置参数，例如：
# modprobe usbcore blinkenlights=1
咱们并不是在创立blinkenlights，而是usbcore模块的实参数。
那么怎么知道一个模块会承受什么参数呢？一个比较好的办法是运用modinfo指令，它列出了关于模块的种种信息。这儿有一个关于模块snd-hda-intel的比方
# modinfo snd-hda-intel
filename: /lib/modules/2.6.20-16-generic/kernel/sound/pci/hda/snd-hda-intel.ko
description: Intel HDA driver
license: GPL
srcversion: A3552B2DF3A932D88FFC00C
alias: pci:v000010DEd0000055Dsv*sd*bc*sc*i*
alias: pci:v000010DEd0000055Csv*sd*bc*sc*i*
depends: snd-pcm,snd-page-alloc,snd-hda-codec,snd
vermagic: 2.6.20-16-generic SMP mod_unload 586
parm: index:Index value for Intel HD audio interface. (int)
parm: id:ID string for Intel HD audio interface. (charp)
parm: model:Use the given board model. (charp)
parm: position_fix:Fix DMA pointer (0 = auto, 1 = none, 2 = POSBUF, 3 = FIFO size). (int)
parm: probe_mask:Bitmask to probe codecs (default = -1). (int)
parm: single_cmd:Use single command to communicate with codecs (for debugging only). (bool)
parm: enable_msi:Enable Message Signaled Interrupt (MSI) (int)
parm: enable:bool
对咱们来说比较有爱好的以parm最初的那些部分：显现了模块所承受的参数。这些描绘都比较简明，假如想要更多的信息，那就装置kernel的源代码，在相似于/usr/src/KERNELVERSION/Documentation的目录下你会找到。
里边会有一些风趣的东西，比方文件/usr/src/KERNELVERSION/Documentation/sound/alsa/ALSA- Configuration.txt描绘的是被许多ALSA声响模块供认的参数；/usr/src/KERNELVERSION /Documentation/kernel-parameters.txt这个文件也很有用。
前几天在Ubuntu论坛有一个比方，说的是怎么将参数传递到一个模块（详见https://help.ubuntu.com/community /HdaIntelSoundHowto）。实践上问题的关键是snd-hda-intel参数在正确驱动声响硬件时需求一点操作，并且在boot time加载时会间断。解决办法的一部分是将probe_mask=1选项赋给模块，假如你是手动加载模块，你需求输入：
# modprobe snd-hda-intel probe_mask=1
更有或许，你在文件/etc/modprobe.conf中放置这样相似的一行：options snd-hda-intel probe_mask=1
这告知modprobe每次在加载snd-hda-intel模块时包含probe_mask=1选项。现在的有些Linux版别将这一信息别离进/etc/modprobe.d下的不同文件中了，而不是放入modprobe.conf中。
/proc体系文件
Linux kernel相同经过/proc体系文件来展现了许多细节。为了阐明/proc，咱们首要需求扩展咱们关于文件的了解。除了以为文件便是存储在硬盘或许 CD或许存储空间上的耐久信息之外，咱们还应当把它了解为任何能够经过传统体系调用如：翻开、读、写、封闭等拜访的信息，当然它也能够被常见的程序拜访。
/proc之下的文件完全是kernel虚拟的一个部分，给咱们一个视角能够看到kernel内部的数据结构。实践上，许多Linux的陈述东西均能够很好地呈现在/proc下的文件中寻到的格局化版别的信息。比方，一列/proc/modules将展现一列当时加载的模块。
相同的，/proc/meminfo供给了关于虚拟存储体系当时状况的更多细节信息，而类如vmstat的东西则是以一种愈加可了解的办法供给了相同的一些信息；/proc/net/arp显现了体系ARP cache的当时内容，从指令行来说，arp -a显现的也是相同的信息。
特别有意思的是/proc/sys下的文件。/proc/sys/net/ipv4/ip_forward下的设置告知咱们kernel是否将转发IP数据包，也便是说是否扮演网关的效果。现在，kernel告知咱们这是封闭的：
# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
0
当你发现你能够对这些文件写入的时分，你会觉得愈加有意思。持续举例来说：
# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
将在运转的kernel中翻开IP 转发（IP forwarding）
除了运用cat和echo来查看和更正/proc/sys下的设置以外，你也能够运用sysctl指令：
# sysctl net.ipv4.ip_forward
net.ipv4.ip_forward = 0
这等同于：
# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
0
也等同于：
# sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
net.ipv4.ip_forward = 1
还等同于：
# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
需求留意的是，以这种办法你所做的设置改动只能影响当时运转的kernel的，当reboot的时分就不再有用。假如想让设置永久有用，将它们放置在 /etc/sysctl.conf文件中。在boot time时，sysctl将主动从头确认它在此文件下找到的任何设置。
/etc/sysctl.conf下的代码行大概是这样的：net.ipv4.ip_forward=1
功能调优（performance tuning）
有这样一个说法：/proc/sys下可写入的参数孕育了整个Linux功能调优的亚文化。我个人觉得这种说法有点过夸，但这儿会有几个你的确很想一试的比方：Oracle 10g的装置阐明（ www.oracle.com/technology/obe/obe10gdb/install/linuxpreinst /linuxpreinst.htm）要求你设置一组参数，包含：kernel.shmmax=2147483648 这将共用存储器的巨细设置为2GB。（共用存储器是处理期内的通讯机制，答应存储单元在多个进程的地址空间内一起可用）
IBM ‘Redpaper’在Linux功能和调优方面的阐明（www.redbooks.ibm.com/abstracts/redp4285.html）在调教/proc/sys下的参数方面给出了不少主张，包含：vm.swappiness=100 这个参数操控着存储页怎么被交换到磁盘。
一些参数能够被设置然后进步安全性，如net.ipv4.icmp_echo_ignore_broadcasts=1 它告知kernel不用呼应%&&&&&%MP恳求，然后使得你的网络免受类如Smurf进犯之类的回绝服务器（denial-of-service）型进犯。
net.ipv4.conf.all.rp_filter=1 则是告知kernel加强入站过滤（ingress filtering）和出站过滤（egress filtering）
那么有没有一个阐明能包括这一切的参数？好吧，这有一行指令：# sysctl -a 它将展现一切的参数姓名和当时值。列表很长，可是你无法知道这些参数是做什么的。别的比较有用的参阅是Red Hat Enterprise Linux Reference Guide，对此有整章节的描绘，你能够从www.redhat.com/docs/manuals/enterprise 上下载。
