系统功能

系统
用户空间接口，系统调用
驱动程序模型
模块
总线，PCI
硬件接口，[重新]启动

本文介绍了用于支持和管理其他内核功能的基础设施。此功能以系统调用和 sysfs 命名。

用户空间通信

用户空间通信是指用户空间应用程序和内核之间的数据和消息交换。用户空间应用程序是在操作系统用户空间中运行的程序，用户空间是内存中的一个受保护区域，它为应用程序提供安全且隔离的环境以在其内运行。

Linux 中有几种机制可用于用户空间与内核之间的通信。最常见的机制之一是通过系统调用，系统调用是允许用户空间应用程序请求内核服务的函数，例如打开文件、创建进程和访问系统资源。

用户空间通信的另一种机制是通过服务文件，服务文件是代表物理或虚拟设备的特殊文件，例如存储设备、网络接口和各种外围设备。用户空间应用程序可以通过读写它们相应的设备文件来与这些设备通信。

总之，Linux 内核提供了多种用户空间通信机制，包括系统调用、设备文件、procfs、sysfs 和 devtmpfs。这些机制使用户空间应用程序能够与内核通信并以安全且受控的方式访问系统资源。

⚲ API

用户空间的内核空间 API

uapi_inc

arch/x86/include/uapi_src

内核空间的用户空间 API

📖 参考

系统调用

系统调用是用户空间应用程序与 Linux 内核之间的基本接口。它们提供了一种方法让程序请求操作系统的服务，例如打开文件、分配内存或创建新进程。在 Linux 内核中，系统调用是作为函数实现的，用户空间程序可以使用软件中断机制来调用这些函数。

Linux 内核提供了数百个系统调用，每个系统调用都有其独特的功能。这些系统调用被组织成类别，例如进程管理、文件管理、网络通信和内存管理。用户空间应用程序可以使用这些系统调用来与内核交互并访问底层系统资源。

⚲ API

系统调用表

man 2 syscalls

⚙️ 内部结构

linux/syscalls.h_inc

syscall_init_id 安装 entry_SYSCALL_64_id

man 2 syscall ↪

entry_SYSCALL_64_id ↯ 调用层次结构

📖 参考

系统调用的剖析，第 1 部分和第 2 部分

syscalls_ltp

💾 历史

ULK3 第 10 章。系统调用

设备文件

经典的 UNIX 设备是作为字节流使用man 2 ioctl 的字符设备。

⚲ API

ls /dev
cat /proc/devices 
cat /proc/misc

示例：misc_fops_id usb_fops_id memory_fops_id

分配的设备_doc

drivers/char_src - 实际上是字节流设备

第 13 章。I/O 架构和设备驱动程序

hiddev

⚠️ 警告：混淆。hiddev 不是真正的人机接口设备！它重新使用了 USBHID 基础设施。hiddev 例如用于监视器控制和不间断电源。此模块使用 /dev/usb/hiddevX 上的单独事件接口来单独支持这些设备（180:96 到 180:111）（⚙️ HIDDEV_MINOR_BASE_id)

⚲ API

uapi/linux/hiddev.h_inc

HID_CONNECT_HIDDEV_id

⚙️ 内部结构

CONFIG_USB_HIDDEV

linux/hiddev.h_inc

hiddev_event_id

drivers/hid/usbhid/hiddev.c_src，hiddev_fops_id

📖 参考

HIDDEV - 人机接口设备的保养和维护_doc

📖 参考

设备文件

管理

🔧 待办事项

📖 参考

man 7 netlink

Linux 内核用户和管理员指南_doc

procfs

proc 文件系统（procfs）是一个特殊的文件系统，它以层次文件结构的形式呈现有关进程和其他系统信息的信息，提供了一种比传统跟踪方法或直接访问内核内存更方便、更标准的方法来动态访问内核中保存的进程数据。通常，它在启动时映射到名为 /proc 的挂载点。proc 文件系统充当内核内部数据结构的接口。它可用于获取有关系统的信息，并在运行时更改某些内核参数。

/proc 包含一个目录，用于每个正在运行的进程（包括内核线程），这些目录命名为 /proc/PID，其中 PID 是进程号。每个目录都包含有关一个进程的信息，包括最初启动该进程的命令（/proc/PID/cmdline）、其环境变量的名称和值（/proc/PID/environ）、指向其工作目录的符号链接（/proc/PID/cwd）、指向原始可执行文件的另一个符号链接（如果仍然存在）（/proc/PID/exe）、两个包含指向每个打开的文件描述符的符号链接的目录（/proc/PID/fd）和每个文件描述符的状态（位置、标志等）（/proc/PID/fdinfo）、有关映射文件和块的信息（例如堆栈和堆）（/proc/PID/maps）、一个表示进程虚拟内存的二进制映像（/proc/PID/mem）、指向进程看到的根路径的符号链接（/proc/PID/root）、包含指向任何子进程或线程的硬链接的目录（/proc/PID/task）、有关进程的基本信息，包括其运行状态和内存使用情况（/proc/PID/status），以及更多信息。

📖 参考

sysfs

sysfs 是一个伪文件系统，它通过虚拟文件将有关内核子系统、硬件设备和相关设备驱动程序的信息从内核的设备模型导出到用户空间。除了提供有关各种设备和内核子系统的信息外，导出的虚拟文件还用于它们的配置。sysfs 旨在导出设备树中存在的信息，这样就不会再混乱 procfs。

sysfs 挂载在 /sys 挂载点下。

⚲ API

linux/sysfs.h_inc

📖 参考

sysfs

man 5 sysfs

sysfs - 导出内核对象的文件系统_doc

fs/sysfs_src

devtmpfs

devtmpfs 是一个内核/用户空间混合方法的设备文件系统，在 udev 首次运行之前提供节点。

📖 参考

设备文件

drivers/base/devtmpfs.c_src

容器化

容器化是一项强大的技术，它彻底改变了软件应用程序的开发、部署和运行方式。容器化的核心是为运行应用程序提供一个隔离的环境，应用程序在其中拥有所有必要的依赖关系，并且可以轻松地从一个环境移动到另一个环境，而无需担心任何兼容性问题。

容器化技术起源于 chroot 命令，该命令于 1979 年在 Unix 操作系统中引入。chroot 提供了一种更改进程根目录的方法，有效地创建了一个具有自己的文件系统层次结构的新隔离环境。但是，这种早期容器化实现的功能有限，难以管理和控制容器内运行的各种进程。

在 2000 年代初期，Linux 内核引入了命名空间和控制组，以提供更强大、更可扩展的容器化解决方案。命名空间 允许进程拥有自己的系统隔离视图，包括文件系统、网络和进程 ID 空间，而 控制组 则对分配给每个容器的资源（如 CPU、内存和 I/O）提供细粒度控制。

利用这些内核功能，容器化平台（如 Docker 和 Kubernetes）已成为大规模构建和部署容器化应用程序的流行解决方案。容器化已成为现代软件开发中必不可少的工具，使开发人员能够轻松地打包应用程序并在不同的环境中以一致且可预测的方式部署它们。

资源使用和限制

⚲ API

man 2 chroot – 更改根目录

man 2 sysinfo – 返回系统信息

man 2 getrusage – 获取资源使用情况

获取/设置资源限制

📖 参考

命名空间

Linux 命名空间提供了一种隔离和虚拟化操作系统不同方面的方法。命名空间允许应用程序的多个实例在彼此隔离的情况下运行，而不会干扰主机系统或其他实例。

🔧 待办事项

⚲ API

/proc/self/ns

man 8 lsns，man 2 ioctl_ns ↪ ns_ioctl_id

man 1 unshare，man 2 unshare

man 1 nsenter，man 2 setns

man 2 clone3 ↪ clone_args_id

linux/ns_common.h_inc

命名空间定义

net/net_namespace.h_inc - struct net

user_namespace_id

time_namespace_id

cgroup_namespace_id

⚙️ 内部结构

init_nsproxy_id - 命名空间结构

kernel/nsproxy.c_src

fs/namespace.c_src

fs/proc/namespaces.c_src

net/core/net_namespace.c_src

kernel/time/namespace.c_src

kernel/user_namespace.c_src

kernel/pid_namespace.c_src

kernel/utsname.c_src

kernel/cgroup/namespace.c_src

📖 参考

man 7 mount_namespace

man 7 pid_namespaces

man 7 network_namespaces

man 7 user_namespaces

man 7 time_namespaces

man 7 cgroup_namespaces

控制组

控制组用于限制和控制进程组的资源使用。它们允许管理员设置对 CPU 使用率、内存使用率、磁盘 I/O、网络带宽和其他资源的限制，这对于管理系统性能和防止资源争用非常有用。

控制组有两个版本。与 v1 不同，控制组 v2 只有一个进程层次结构，它区分进程，而不是线程。

以下是控制组 v1 和 v2 之间的一些主要区别


	控制组 v1	控制组 v2
层次结构	每个子系统都有自己的层次结构，这会导致复杂性和混乱	统一的层次结构，简化了管理，并实现了更好的资源分配
控制器	具有多个由独立控制器控制的子系统，每个子系统都有自己的配置文件和参数集	控制器被合并到单个 "cgroup2" 控制器中，该控制器提供了一个统一的接口来管理资源
资源分配	根据比例共享将资源分配给进程组，这会导致不可预测的结果	根据 "加权公平排队" 算法分配资源，这提供了更好的可预测性和公平性

控制组 v2 与控制组 v1 不兼容，这意味着从 v1 迁移到 v2 可能会很困难，并且需要仔细的规划。

🔧 待办事项

⚲ API

linux/cgroup.h_inc

linux/cgroup-defs.h_inc

css_set_id – 持有指向 cgroup_subsys_state_id 对象的引用计数指针集

cgroup_subsys_id

linux/cgroup_subsys.h_inc – 控制组子系统的列表

⚙️ 内部结构

cg_list_id – task_struct 中 css_set_id 的列表

📖 参考

手册 5 systemd.slice – 切片单元配置

手册 7 cgroups

man 7 cgroup_namespaces

CFS 带宽控制用于控制组_文档

实时组调度_文档

📚 进一步阅读

https://github.com/containers

驱动程序模型

Linux 驱动模型（或设备模型，或简称 DM）是一个框架，它为设备驱动程序提供了一种一致且标准化的方式来与内核交互。它定义了一套规则、接口和数据结构，使设备驱动程序能够与内核通信并执行各种操作，例如管理资源、生命周期等等。

DM 核心结构由 DM 类、DM 总线、DM 驱动程序和 DM 设备组成。

kobject

在 Linux 内核中，kobject_id 是一个基本数据结构，用于表示内核对象并提供与它们交互的标准化接口。kobject 是一个通用对象，可以表示任何类型的内核对象，包括设备、文件、模块等等。

kobject 数据结构包含几个描述对象的字段，例如它的名称、类型、父级和操作。每个 kobject 在其父级对象中都有一个唯一的名称，而父子关系形成一个 kobject 的层次结构。

kobject 由内核的 sysfs 文件系统管理，该文件系统提供一个虚拟文件系统，将内核对象暴露为用户空间中的文件和目录。每个 kobject 都与一个 sysfs 目录相关联，该目录包含可以读取或写入以与内核对象交互的文件和属性。

⚲ 基础设施 API

linux/kobject.h_inc

kobject_id

内核对象操作_文档

🔧 待办事项

类

类是设备的更高级别的视图，它抽象出低级别实现细节。驱动程序可能看到 NVME 存储或 SATA 存储，但在类级别，它们都只是 block_class_id 设备。类允许用户空间基于设备的功能来处理设备，而不是它们连接的方式或工作方式。通用 DM 类结构与组合模式匹配。

⚲ API

ls /sys/class/

class_register_id 注册 class_id

linux/device/class.h_inc

👁 例子：input_class_id，block_class_id net_class_id

总线

一个外设总线是处理器和一个或多个外设之间的一个通道。DM 总线是代理用于外设总线。通用 DM 总线结构与组合模式匹配。就设备模型而言，所有设备都通过总线连接，即使它是内部的、虚拟的，platform_bus_type_id。总线可以互相连接。例如，USB 控制器通常是 PCI 设备。设备模型表示总线之间以及它们控制的设备之间的实际连接。总线由 bus_type_id 结构表示。它包含名称、默认属性、总线的方法、PM 操作以及驱动程序内核的私有数据。

⚲ API

ls /sys/bus/

bus_register_id 注册 bus_type_id

linux/device/bus.h_inc

👁 例子：usb_bus_type_id，hid_bus_type_id，pci_bus_type_id，scsi_bus_type_id，platform_bus_type_id

外设总线

驱动程序

⚲ API

ls /sys/bus/:/drivers/

module_driver_id - 简单的通用驱动程序初始化程序，👁 例如在 module_pci_driver_id 中使用

driver_register_id 注册 device_driver_id - 基本的设备驱动程序结构，每个设备实例一个。

linux/device/driver.h_inc

👁 例子：hid_generic_id usb_register_device_driver_id

平台驱动程序

module_platform_driver_id 注册 platform_driver_id（device_driver_id 的平台包装器）和 platform_bus_type_id

linux/platform_device.h_inc

👁 例子：gpio_mouse_device_driver_id

设备

⚲ API

ls /sys/devices/

device_register_id 注册 device_id - 基本的设备结构，每个设备实例一个

linux/device.h_inc

linux/dev_printk.h_inc

设备资源管理_文档，devres，devm ...

👁 例子：platform_bus_id mousedev_create

平台设备

platform_device_id - struct device - 基本的设备结构_文档的平台包装器，包含与设备相关的资源

它可以由 platform_device_register_simple_id 或 platform_device_alloc_id 动态自动创建。或者使用 platform_device_register_id 注册。

platform_device_unregister_id - 释放设备和相关资源

👁 例子：add_pcspkr_id

⚲ API 🔧 待办事项

platform_device_info platform_device_id platform_device_register_full platform_device_add

platform_device_add_data platform_device_register_data platform_device_add_resources

attribute_group dev_pm_ops

⚙️ 内部结构

linux/dev_printk.h_inc

lib/kobject.c_src

drivers/base/platform.c_src

drivers/base/core.c_src

📖 参考

设备驱动程序基础设施_文档

关于 kobject、kset 和 ktype 的一切你不愿知道的事_文档

驱动模型_文档

Linux 内核设备模型_文档

平台设备和驱动程序_文档

Linux 设备模型，由 linux-kernel-labs 提供

模块

关于模块的文章

⚲ API

lsmod

cat /proc/modules

⚙️ 内部结构

kernel/kmod.c_src

📖 参考

LDD3：构建和运行模块

http://www.xml.com/ldd/chapter/book/ch02.html

http://www.tldp.org/LDP/tlk/modules/modules.html

http://www.tldp.org/LDP/lkmpg/2.6/html/ Linux 内核模块编程指南

外设总线

外设总线是用于将各种外围设备连接到计算机系统的通信通道。这些总线用于在外围设备和系统的处理器或内存之间传输数据。在 Linux 内核中，外设总线作为驱动程序实现，这些驱动程序使操作系统与硬件之间的通信成为可能。

Linux 内核中的外设总线包括 USB、PCI、SPI、I2C 等等。这些总线中的每一个都有其自身独特的特性，并且 Linux 内核为各种外设提供了支持。

PCI（外设组件互连）总线用于连接计算机系统中的内部硬件设备。它通常用于连接显卡、网卡和其他扩展卡。Linux 内核提供了 PCI 总线驱动程序，使操作系统与连接到总线的设备之间的通信成为可能。

USB（通用串行总线）是现代计算机系统中最常用的外设总线之一。它允许设备进行热插拔，并支持高速数据传输速率。

🔧 待办：设备枚举

⚲ API

Shell 接口：ls /proc/bus/ /sys/bus/

另请参见驱动模型的总线

参见 输入：键盘、鼠标等

PCI

⚲ Shell API

lspci -vv

column -t /proc/bus/pci/devices

主条目：PCI

USB

⚲ Shell API

lsusb -v

ls /sys/bus/usb/

cat /proc/bus/usb/devices

⚙️ 内部结构

📖 参考

其他总线

🤖 嵌入式设备的总线

linux/gpio/driver.h_包含 linux/gpio.h_包含 drivers/gpio_源码 tools/gpio_源码

drivers/i2c_源码 https://i2c.wiki.kernel.org

SPI

⚲ API

linux/spi/spi.h_inc

tools/spi_src

⚙️ 内部结构

drivers/spi_src

spi_register_controller_id

spi_controller_list_标识符🚧

📖 参考

SPI_文档

硬件接口

硬件接口是任何操作系统的基本组成部分，它使处理器与计算机系统的其他硬件组件（内存、外设和总线、各种控制器）之间的通信成为可能。

中断

I/O 端口和寄存器

I/O 端口和寄存器是计算机系统中的电子组件，它们使 CPU 与其他电子控制器和设备之间的通信成为可能。

⚲ API

linux/regmap.h_包含 — 寄存器映射访问 API

asm-generic/io.h_包含 — 通用 I/O 端口模拟。

ioport_map_id

ioread32_标识符 / iowrite32_标识符 ...

readl_标识符/ writel_标识符 ...

宏 {in,out}[bwl] 用于模拟 x86 风格的 PCI/ISA IO 空间

inl_标识符/ outl_标识符 ...

linux/ioport.h_包含 — 定义用于检测、保留和分配系统资源的例程。

request_mem_region_id

arch/x86/include/asm/io.h_src

内存映射寄存器的函数

ioremap_id ...

硬件设备驱动程序

关键字：固件、热插拔、时钟、复用器、引脚

⚙️ 内部结构

drivers/acpi_src

drivers/base_src

drivers/sdio_源码 - 安全数字输入输出

📖 参考

https://hwmon.wiki.kernel.org/

LDD3：Linux 设备模型

http://www.tldp.org/LDP/tlk/dd/drivers.html

http://www.xml.com/ldd/chapter/book/

http://examples.oreilly.com/linuxdrive2/

引导和停止

内核引导

内核是在两个阶段加载的 - 在第一个阶段，内核（作为压缩的镜像文件）被加载到内存并解压缩，并且设置了一些基本功能，例如基本硬件和基本内存管理（内存分页）。然后，控制最终切换到调用start_kernel_标识符的主内核启动过程，然后在生成单独的空闲进程和调度器以及 init 进程（在用户空间执行）之前执行大部分系统设置（中断、内存管理的其余部分、设备和驱动程序初始化等）。

内核加载阶段

加载的内核通常是镜像文件，使用 zlib 压缩为 zImage 或 bzImage 格式。它头部的例程执行最少的硬件设置，将镜像完全解压缩到高内存，并注意是否配置了任何 RAM 磁盘。然后，它通过 startup_64（对于 x86_64 架构）执行内核启动。

arch/x86/boot/compressed/vmlinux.lds.S_源码 - 链接器脚本定义了入口点 startup_64_标识符

arch/x86/boot/compressed/head_64.S_源码 - 提取器的汇编

extract_kernel_标识符 - C 语言中的提取器

打印

Decompressing Linux... done.
Booting the kernel.

内核启动阶段

内核的启动函数（也称为交换器或进程 0）建立内存管理（分页表和内存分页），检测 CPU 类型和任何附加功能（例如浮点功能），然后通过调用 start_kernel_标识符切换到非架构特定的 Linux 内核功能。

↯ 启动调用层次结构

arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S_src – 链接器脚本

arch/x86/kernel/head_64.S_src – 未压缩启动代码的汇编

arch/x86/kernel/head64.c_src – 平台相关的启动

x86_64_start_kernel_id

x86_64_start_reservations_id

init/main.c_src – 主要初始化代码

start_kernel_id 200 SLOC

rcu_init_id – 读-复制-更新

rest_init_id

kernel_init_id - 延迟内核线程 #1

kernel_init_freeable_id 此函数和以下函数都使用属性 __init_id 定义

prepare_namespace_id

initrd_load_id

mount_root_id

run_init_process_id 显然会运行第一个进程 man 1 init

kthreadd_id – 延迟内核线程 #2

cpu_startup_entry_id

do_idle_id

start_kernel_id 执行了大量初始化函数。它设置了中断处理（IRQs），进一步配置内存，启动了 man 1 init 进程（第一个用户空间进程），然后通过 cpu_startup_entry_id 启动了空闲任务。值得注意的是，内核启动过程还会挂载之前加载的初始 RAM 磁盘（initrd），作为启动阶段的临时根文件系统。initrd 允许驱动程序模块直接从内存加载，而无需依赖其他设备（例如硬盘）及其访问所需驱动程序（例如 SATA 驱动程序）。这种将部分驱动程序静态编译到内核中而将其他驱动程序从 initrd 加载的方式可以缩减内核体积。稍后通过调用 man 8 pivot_root / man 2 pivot_root 来切换根文件系统，该调用会卸载临时根文件系统并将其替换为真正的根文件系统，前提是真正的根文件系统已可访问。然后，临时根文件系统所使用的内存会被回收。