Linux Kernel

概述

参考：

Kernel(内核) 是一个作为操作系统核心的计算机程序，对系统中的一切具有完全控制权。它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。

Kernel 是计算器启动时首先加载程序之一，在 Bootloader并处理硬件和软件之间的交互。并且处理启动过程的其余部分、以及内存、外设、和来自软件的输入/输出请求，将他们转换为 CPU 的数据处理指令。

Kernel 组成及系统调用

Linux 内核由如下几部分组成：内存管理、进程管理、设备驱动程序管理、文件系统管理、网络管理等。如图：

System Call Interface(系统调用接口，简称 SCI) 层提供了某些机制执行从用户空间到内核的函数调用。这个接口依赖于体系结构，甚至在相同的处理器家族内也是如此。SCI 实际上是一个非常有用的函数调用多路复用和多路分解服务。

系统调用介绍详见 System Call(系统调用) 章节

Linux Manual 使用说明

Linux 的 Manual(man 手册) 来自于 Linux man-pages project 项目，该项目的 HTML 渲染结果可以在 man7.org 的在线页找到。

在 Linux Kernel 的官方 man 手册中，记录了用户空间程序使用 Linux 内核 和 C 库的接口。对于 C 库，主要聚焦于 GUN C(glibc)，尽管在已知的情况下，还包括可用于 Linux 的其他 C 库中的变体文档。在这个 man 手册中，分为如下几部分：

  1. Executable programs or shell commands(可执行程序或 Shell 命令) # 介绍一些用户空间的应用程序。
  2. System Call(系统调用) # Linux Kernel 可以提供的所有 System Calls(系统调用)
  3. Library functions(库函数) # C 标准库可以提供的函数。
  4. Devices(设备) # 各种设备的详细信息，这些设备大多都在 /dev 目录中。
  5. Files(文件) # 各种文件格式和文件系统
  6. Games(游戏) # 系统上可用的游戏和有趣的小程序
  7. Miscellaneous(杂项) # 包括宏包和各种约定
  8. System administration commands(系统管理员命令) # 通常仅适用于 root。介绍一些 GUN C 库提供的程序。

在 Linux man 手册中，可以找到 Linux 系统中的一切使用说明。Linux 操作系统围绕 Linux Kernel 构建了一套高效、健壮的应用程序运行环境

SubSystem

https://www.kernel.org/doc/html/latest/subsystem-apis.html

核心子系统

网络接口

存储接口

其他子系统

intird.img、vmlinuz、System.map 文件

Kernel 会被安装到 /boot/ 目录中，并生成 config、initrd.img、System.map、vmlinuz 这几个文件

vmlinuz

vmlinuz 是 Linux 内核 可执行文件的名称。

vmlinuz 是一个压缩的 Linux 内核，它是_可引导的_。可引导意味着它能够将操作系统加载到内存中，以便计算机变得可用并且可以运行应用程序。

vmlinuz 不应与 vmlinux 混淆，后者是非压缩和不可引导形式的内核。vmlinux 通常只是生成 vmlinuz 的中间步骤。

vmlinuz 位于 /boot 目录中，该目录包含开始引导系统所需的文件。名为 vmlinuz 的文件可能是实际的内核可执行文件本身，也可能是内核可执行文件的链接，该链接可能带有诸如 /boot/vmlinuz-2.4.18-19.8.0 之类的名称（即特定内核的名称）内核版本）。这可以通过使用 ls 命令（其目的是列出指定目录的内容）及其 -l 选项（它告诉 ls 提供有关指定目录中每个对象的详细信息）来轻松确定，如下所示：

ls -l /boot

如果 vmlinuz 是一个普通文件（包括可执行文件），则第一列中有关它的信息将以连字符开头。如果是链接，它将以字母_l_开头。 通过发出以下命令   来_编译_Linux 内核：

make bzImage

这会在 /usr/src/linux/arch/i386/linux/boot/ 等目录中创建名为_bzImage_的文件。

编译是将内核的源代码（即内核由人类编写的原始形式）转换为 目标代码（计算机处理器可以直接理解）。它由称为编译器的专门程序执行，通常是 GCC（GNU编译器集合）中的一个。

然后使用 cp 命令将 bzImage 复制到 /boot 目录，同时使用诸如以下命令   重命名_vmlinuz_

cp /usr/src/linux/arch/i386/linux/boot/bzImage /boot/vmlinuz

vmlinuz 不仅仅是一个压缩图像。它还内置了 gzip 解压缩器代码。gzip 是 Unix-like OS 操作系统上最流行的压缩实用程序之一。

一个名为 zImage 文件的编译内核是在一些较旧的系统上创建的，并保留在较新的系统上以实现向后兼容性。zImage 和 bzImage 都是用 gzip 压缩的。区别在于 zImage 解压到 低内存（即前 640kB），bzImage 解压到 高内存（1MB 以上）。有一个常见的误解，认为 bzImage 是使用 bzip2 实用程序压缩的。实际上，b 只代表 big。

vmlinuz 这个名字很大程度上是历史的偶然。在贝尔实验室开发的原始 UNIX 上的内核二进制文件称为 unix。当后来在加州大学伯克利分校 (UCB) 编写包含支持虚拟内存的新内核时，内核二进制文件更名为 vmunix。

虚拟内存是使用硬盘驱动器 (HDD) 上的空间来模拟额外的 RAM（随机存取内存）容量。与当时使用的其他一些流行操作系统（例如MS-DOS）相比，Linux 内核几乎从 Linux 一开始就支持它。

因此，Linux 内核很自然地被称为 vmlinux。由于 Linux 内核可执行文件被制作成压缩文件，并且压缩文件在类 Unix 系统上通常具有 z 或 gz 扩展名，因此压缩内核可执行文件的名称变为 vmlinuz。

initrd

Initial RAM Disk(初始内存磁盘，简称 initrd) 是一种将临时根文件系统加载到内存中的方案，可以作为 Linux 启动过程的一部分。有两种方法来实现这种方案：

  • initrd # Initial RAM Disk。 就是把一块内存（ram）当做磁盘（disk）去挂载，然后找到 ram 里的 init 执行。
  • initramfs # Initial RAM Filesystem。 直接在 ram 上挂载文件系统，执行文件系统中的 init。

这两者通常用于在挂载真正的根文件系统之前执行一些准备工作。

不要被文件名迷惑，kernel 2.6 以来都是 initramfs 了，只是很多还沿袭传统使用 initrd 的名字 initramfs 的工作方式更加简单直接一些，启动的时候加载内核和 initramfs 到内存执行，内核初始化之后，切换到用户态执行 initramfs 的程序/脚本，加载需要的驱动模块、必要配置等，然后加载 rootfs 切换到真正的 rootfs 上去执行后续的 init 过程。 initrd 是 2.4 及更早的用法（现在你能见到的 initrd 文件实际差不多都是 initramfs 了），运行过程大概是内核启动，执行一些 initrd 的内容，加载模块啥的，然后交回控制权给内核，最后再切到用户态去运行用户态的启动流程。 从格式看，老的 initrd 是一个压缩的内存文件系统，具体是啥忘了，年月太久了。现在的 initramfs 是一个 gzip 压缩的 cpio 文件系统打包，如果遇到什么紧急情况需要处理的时候，你可以建立一个临时目录，把 initramfs 解压之后，直接 cpio -idv 解压出来，改之后再用 cpio 和 gzip 封上即可。虽然大家都喜欢用 tar 打包，但掌握点 cpio 在关键时刻还是可以救命的。

在早期的 Linux 系统中，一般就只有软盘或者硬盘被用来作为 Linux 的根文件系统，因此很容易把这些设备的驱动程序集成到内核中。但是现在根文件系统可能保存在各种存储设备上，包括 SCSI、SATA、U 盘等等。总不能每出一个，就要重新编译一遍内核吧？~这样不但麻烦，也不实用，所以后来 Linux 就提供了一个灵活的方法来解决这些问题。就是 initrd。

可以把 initrd 当做 WinPE。当使用 WinPE 启动后会发现你的计算机就算没有硬盘也能在正常运行，其中有个文件系统 B:/ 分区，这个分区就是内存模拟的磁盘。

initrd.img 文件就是个 ram disk 的映像文件。ramdisk 是用一部分内存模拟成磁盘，让操作系统访问。ram disk 是标准内核文件认识的设备(/dev/ram0)文件系统也是标准内核认识的文件系统。内核加载这个 ram disk 作为根文件系统并开始执行其中的"某个文件"（2.6 内核是 init 文件）来加载各种模块，服务等。经过一些配置和运行后，就可以去物理磁盘加载真正的 root 分区了，然后又是一些配置等，最后启动成功。

也就是你只需要定制适合自己的 initrd.img 文件就可以了。这要比重编内核简单多了，省时省事低风险。

查看 initrd 文件

我们可以通过如下方式，解压出 initrd.img 文件，下面分别以 Ubuntu 20.04 TLS 系统和 CentOS Stream 8 系统为例：

解压方法来源：https://unix.stackexchange.com/questions/163346/why-is-it-that-my-initrd-only-has-one-directory-namely-kernel

Ubuntu 20.04 TLS

~]# mkdir -p /root/test_dir/root
~]# cp /boot/initrd.img /root/test_dir/
~]# (cpio -id; cpio -i; unlz4 | cpio -id) < ../initrd.img
62 blocks
9004 blocks
450060 blocks
~]# ls
bin  conf  cryptroot  etc  init  kernel  lib  lib32  lib64  libx32  run  sbin  scripts  usr  var

CentOS Stream 8

~]# mkdir -p /root/test_dir/root
~]# cp /boot/initramfs-4.18.0-294.el8.x86_64.img /root/test_dir
~]# cd /root/test_dir/root
~]# (cpio -id; zcat | cpio -id) < ../initramfs-4.18.0-294.el8.x86_64.img

~]# ls
bin  dev  early_cpio  etc  init  kernel  lib  lib64  proc  root  run  sbin  shutdown  sys  sysroot  tmp  usr  var

可以看到，initrd.img 中包含了一个系统最基本的目录结构

Kernel 关联文件

/boot/ #

  • ./config-$(uname -r) # Kernel 的扩展配置文件。Kernel 文档中，将该文件称为 Boot Configuration。
  • ./initrd.img # 在内核挂载真正的根文件系统前使用的临时文件系统
  • ./vmlinuz # Linux 内核

/etc/sysctl.conf # 系统启动时读取的内核参数文件

  • /etc/sysctl.d/ # 系统启动时时读取的内核参数目录

/usr/lib/sysctl.d/ #

/proc/sys/ # 内核参数(也称为内核变量)所在路径。该目录(从 1.3.57 版本开始)包含许多与内核变量相对应的文件和子目录。 可以使用 proc 以及 sysctl(2) 系统读取或加载这些变量，有时可以对其进行修改。


最后修改 April 22, 2025: docker, iptables, nftables (1dc15377)