操作系统基础 | 1. linux内核简介
总结一下课堂笔记，不然总是放在不知道哪个作业文件夹里找不到
操作系统与内核概述
内核是操作系统的最核心部分，负责管理硬件资源（如CPU、内存、硬盘等），并为上层软件提供服务。内核运行在“内核空间”，拥有对硬件的完全控制权，而普通应用程序运行在“用户空间”，只能通过内核提供的接口访问硬件。
应用程序与内核的交互主要通过系统调用完成。比如：
- 当你在 C 语言程序里调用
printf("hello\n")时，实际上发生了多层调用。printf()负责格式化和缓冲数据，最终会调用write()函数，把数据写到终端。write()是一个库函数，它最终会触发write系统调用，由内核把数据真正输出到屏幕。 - 类似地，
open()库函数几乎只做一件事，就是调用open系统调用，让内核帮你打开一个文件。 - 还有一些库函数，比如
strcpy()，只是单纯地在内存中复制数据，根本不会和内核打交道。
简单来说： - 你写的应用程序通过库函数（如
printf()、open()）间接或直接调用系统调用（如
write、open），由内核完成实际的硬件操作。 -
有些库函数（如
strcpy()）只在用户空间工作，不需要内核参与。
内核还负责处理中断。比如你敲键盘时，键盘控制器会发出中断信号，内核收到后会执行相应的中断处理程序，把你输入的内容读出来。
在任何给定时刻，每个处理器正在做以下三件事中的一件：
- 在用户空间，在进程上下文中执行用户代码
- 在内核空间，在进程上下文中，代表特定进程执行操作（包括空闲进程）
- 在内核空间，在中断上下文中，不与任何进程关联，处理中断
Linux 与经典 Unix 内核设计
- 单一内核/宏内核（Monolithic Kernel）
经典 Unix 和 Linux 都采用单一内核设计。单一内核就是把所有核心功能（如进程管理、内存管理、文件系统、驱动等）都放在一个大程序里，在同一个内存空间中运行。这样做的好处是：- 内核内部各部分可以直接调用彼此的函数，通信效率高，性能好。
- 设计和实现相对简单。
- 微内核（Microkernel）
微内核把内核功能拆分成多个独立的“服务器”，有的在内核空间，有的在用户空间。它们之间通过消息传递（IPC）通信。优点是：- 各部分相互隔离，一个崩溃不会影响其他部分，系统更稳定。
- 更容易替换和扩展功能。 缺点是：
- 消息传递比直接函数调用慢，频繁切换上下文会影响性能。
- 实际上，很多微内核系统（如 Windows NT、Mach）为了性能，后来又把大部分服务放回了内核空间。
- Linux 的做法
Linux 是单一内核，但吸收了微内核的一些优点，比如模块化设计、支持内核线程、可以动态加载内核模块等。- Linux 所有核心功能都在内核空间，通信用直接函数调用，性能高。
- 同时，Linux 也很灵活，可以按需加载或卸载功能模块。
Linux 虽然继承了 Unix 的理念和 API，但并不基于任何特定 Unix 变体，因此可以灵活选择或创新最佳技术方案。
- 动态内核模块：Linux 支持内核模块的动态加载和卸载，增强了灵活性和可扩展性。
- 对称多处理器（SMP）支持：Linux 从早期就支持 SMP，而许多传统 Unix 系统最初并不支持。
- 抢占式内核：Linux 内核支持抢占，允许内核任务被中断，提高了实时性和响应速度，而大多数传统 Unix 内核不是抢占式的。
- 线程与进程统一：Linux 内核不区分线程和进程，所有进程本质上是一样的，只是有些进程共享资源。
- 面向对象的设备模型：Linux 采用了现代的设备管理方式，如设备类、热插拔和 sysfs。
- 精简与创新：Linux 有选择地实现功能，忽略了被认为设计不佳或无实际价值的传统 Unix 特性（如 STREAMS）。
- 开放与自由：Linux 的功能集来源于开放的开发模式，只有经过充分论证、设计清晰、实现扎实的功能才会被采纳。
Linux 内核版本
- 稳定版 (Stable)： 次版本号为偶数 (如 2.4, 2.6, 4.18, 5.10)。适合生产环境部署，主要更新是错误修复和新驱动。
- 开发版 (Development)： 次版本号为奇数 (如 2.5, 3.1)。代码快速变化，包含实验性功能，不稳定。
- 版本号格式：
主版本.次版本.修订版本[.稳定版本](如2.6.30.1)。主版本.次版本定义内核系列 (如 2.6)。修订版本表示同一系列内的主要发布。.稳定版本(可选) 表示在主要发布后的小更新，专注于关键错误修复。