linux内核原理
Ⅰ linux系统I/O模型及select、poll、epoll原理和应用
理解Linux的IO模型之前，首先要了解一些基本概念，才能理解这些IO模型设计的依据
操作系统使用虚拟内存来映射物理内存，对于32位的操作系统来说，虚拟地址空间为4G（2^32）。操作系统的核心是内核，为了保护用户进程不能直接操作内核，保证内核安全，操作系统将虚拟地址空间划分为内核空间和用户空间。内核可以访问全部的地址空间，拥有访问底层硬件设备的权限，普通的应用程序需要访问硬件设备必须通过 系统调用 来实现。
对于Linux系统来说，将虚拟内存的最高1G字节的空间作为内核空间仅供内核使用，低3G字节的空间供用户进程使用，称为用户空间。
又被称为标准I/O，大多数文件系统的默认I/O都是缓存I/O。在Linux系统的缓存I/O机制中，操作系统会将I/O的数据缓存在页缓存（内存）中，也就是数据先被拷贝到内核的缓冲区（内核地址空间），然后才会从内核缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区（用户地址空间）。
这种方式很明显的缺点就是数据传输过程中需要再应用程序地址空间和内核空间进行多次数据拷贝操作，这些操作带来的CPU以及内存的开销是非常大的。
由于Linux系统采用的缓存I/O模式，对于一次I/O访问，以读操作举例，数据先会被拷贝到内核缓冲区，然后才会从内核缓冲区拷贝到应用程序的缓存区，当一个read系统调用发生的时候，会经历两个阶段：
正是因为这两个状态，Linux系统才产生了多种不同的网络I/O模式的方案
Linux系统默认情况下所有socke都是blocking的，一个读操作流程如下：
以UDP socket为例，当用户进程调用了recvfrom系统调用，如果数据还没准备好，应用进程被阻塞，内核直到数据到来且将数据从内核缓冲区拷贝到了应用进程缓冲区，然后向用户进程返回结果，用户进程才解除block状态，重新运行起来。
阻塞模行下只是阻塞了当前的应用进程，其他进程还可以执行，不消耗CPU时间，CPU的利用率较高。
Linux可以设置socket为非阻塞的，非阻塞模式下执行一个读操作流程如下：
当用户进程发出recvfrom系统调用时，如果kernel中的数据还没准备好，recvfrom会立即返回一个error结果，不会阻塞用户进程，用户进程收到error时知道数据还没准备好，过一会再调用recvfrom，直到kernel中的数据准备好了，内核就立即将数据拷贝到用户内存然后返回ok，这个过程需要用户进程去轮询内核数据是否准备好。
非阻塞模型下由于要处理更多的系统调用，因此CPU利用率比较低。
应用进程使用sigaction系统调用，内核立即返回，等到kernel数据准备好时会给用户进程发送一个信号，告诉用户进程可以进行IO操作了，然后用户进程再调用IO系统调用如recvfrom，将数据从内核缓冲区拷贝到应用进程。流程如下：
相比于轮询的方式，不需要多次系统调用轮询，信号驱动IO的CPU利用率更高。
异步IO模型与其他模型最大的区别是，异步IO在系统调用返回的时候所有操作都已经完成，应用进程既不需要等待数据准备，也不需要在数据到来后等待数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区，流程如下：
在数据拷贝完成后，kernel会给用户进程发送一个信号告诉其read操作完成了。
是用select、poll等待数据，可以等待多个socket中的任一个变为可读，这一过程会被阻塞，当某个套接字数据到来时返回，之后再用recvfrom系统调用把数据从内核缓存区复制到用户进程，流程如下：
流程类似阻塞IO，甚至比阻塞IO更差，多使用了一个系统调用，但是IO多路复用最大的特点是让单个进程能同时处理多个IO事件的能力，又被称为事件驱动IO，相比于多线程模型，IO复用模型不需要线程的创建、切换、销毁，系统开销更小，适合高并发的场景。
select是IO多路复用模型的一种实现，当select函数返回后可以通过轮询fdset来找到就绪的socket。
优点是几乎所有平台都支持，缺点在于能够监听的fd数量有限，Linux系统上一般为1024，是写死在宏定义中的，要修改需要重新编译内核。而且每次都要把所有的fd在用户空间和内核空间拷贝，这个操作是比较耗时的。
poll和select基本相同，不同的是poll没有最大fd数量限制（实际也会受到物理资源的限制，因为系统的fd数量是有限的），而且提供了更多的时间类型。
总结：select和poll都需要在返回后通过轮询的方式检查就绪的socket，事实上同时连的大量socket在一个时刻只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的变多，其性能也会逐渐下降。
epoll是select和poll的改进版本，更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的只需一次。
epoll_create()用来创建一个epoll句柄。
epoll_ctl() 用于向内核注册新的描述符或者是改变某个文件描述符的状态。已注册的描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上，通过回调函数内核会将 I/O 准备好的描述符加入到一个就绪链表中管理。
epoll_wait() 可以从就绪链表中得到事件完成的描述符，因此进程不需要通过轮询来获得事件完成的描述符。
当epoll_wait检测到描述符IO事件发生并且通知给应用程序时，应用程序可以不立即处理该事件，下次调用epoll_wait还会再次通知该事件，支持block和nonblocking socket。
当epoll_wait检测到描述符IO事件发生并且通知给应用程序时，应用程序需要立即处理该事件，如果不立即处理，下次调用epoll_wait不会再次通知该事件。
ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用nonblocking socket，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
【segmentfault】 Linux IO模式及 select、poll、epoll详解
【GitHub】 CyC2018/CS-Notes
Ⅱ linux 是什么意思
Linux是一种自由和开放源代码的类UNIX操作系统。该操作系统的内核由林纳斯·托瓦兹在1991年10月5日首次发布。，在加上用户空间的应用程序之后，成为Linux操作系统。Linux也是自由软件和开放源代码软件发展中最着名的例子。只要遵循GNU通用公共许可证，任何个人和机构都可以自由地使用Linux的所有底层源代码，也可以自由地修改和再发布。大多数Linux系统还包括像提供GUI界面的X Window之类的程序。除了一部分专家之外，大多数人都是直接使用Linux发布版，而不是自己选择每一样组件或自行设置。
严格来讲，术语Linux只表示操作系统内核本身，但通常采用Linux内核来表达该意思。Linux则常用来指基于Linux内核的完整操作系统，包括GUI组件和许多其他实用工具。由于这些支持用户空间的系统工具和库主要由理乍得·斯托曼于1983年发起的GNU计划提供，自由软件基金会提议将该组合系统命名为GNU/Linux，但Linux不属于GNU计划。《Linux就该这么学》可以看下，详细的了解下Linux。
Ⅲ Linux内核是什么
Linux内核无疑是Linux操作系统的核心。它由以下五个子系统构成
（1）进程调度
（2）内存管理
（3）虚拟文件系统
（4）网络接口
（5）进程之间的通信
Ⅳ linux驱动程序结构框架及工作原理分别是什么
一、Linux device driver 的概念x0dx0ax0dx0a系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能:x0dx0ax0dx0a1、对设备初始化和释放；x0dx0ax0dx0a2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；x0dx0ax0dx0a3、读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；x0dx0ax0dx0a4、检测和处理设备出现的错误。x0dx0ax0dx0a在Linux操作系统下有三类主要的设备文件类型，一是字符设备，二是块设备，三是网络设备。字符设备和块设备的主要区别是:在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了，块设备则不然，它利用一块系统内存作缓冲区，当用户进程对设备请求能满足用户的要求，就返回请求的数据，如果不能，就调用请求函数来进行实际的I/O操作。块设备是主要针对磁盘等慢速设备设计的，以免耗费过多的CPU时间来等待。x0dx0ax0dx0a已经提到，用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道。每个设备文件都都有其文件属性(c/b)，表示是字符设备还是块设备?另外每个文件都有两个设备号，第一个是主设备号，标识驱动程序，第二个是从设备号，标识使用同一个设备驱动程序的不同的硬件设备，比如有两个软盘，就可以用从设备号来区分他们。设备文件的的主设备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号一致，否则用户进程将无法访问到驱动程序。x0dx0ax0dx0a最后必须提到的是，在用户进程调用驱动程序时，系统进入核心态，这时不再是抢先式调度。也就是说，系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作。如果你的驱动程序陷入死循环，不幸的是你只有重新启动机器了，然后就是漫长的fsck。x0dx0ax0dx0a二、实例剖析x0dx0ax0dx0a我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做，但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理。把下面的C代码输入机器，你就会获得一个真正的设备驱动程序。x0dx0ax0dx0a由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的操作方式不外乎就是一些系统调用，如 open，read，write，close?， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系统调用和驱动程序关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据结构：x0dx0ax0dx0aSTruct file_operatiONs {x0dx0ax0dx0aint (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);x0dx0ax0dx0aint (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int);x0dx0ax0dx0aint (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);x0dx0ax0dx0aint (*readdir) (struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int);x0dx0ax0dx0aint (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *);x0dx0ax0dx0aint (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long);x0dx0ax0dx0aint (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *);x0dx0ax0dx0aint (*open) (struct inode * ，struct file *);x0dx0ax0dx0aint (*release) (struct inode * ，struct file *);x0dx0ax0dx0aint (*fsync) (struct inode * ，struct file *);x0dx0ax0dx0aint (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int);x0dx0ax0dx0aint (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *);x0dx0ax0dx0aint (*revalidate) (dev_t dev);x0dx0ax0dx0a}x0dx0ax0dx0a这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write操作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。这是linux的设备驱动程序工作的基本原理。既然是这样，则编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数，并填充file_operations的各个域。x0dx0ax0dx0a下面就开始写子程序。x0dx0ax0dx0a#include
Ⅳ Linux内核应该怎么去学习
学嵌入式Linux要先学以下几点：
1.C语言。要有C语言的基础，当然越熟练越好，不熟也没关系，具备基本技能就可以：比如写一个数组排序、输入数字求和什么的。C语言的学习就是多些多练。
2.Linux基础
Linux操作系统的概念、安装方法，详细了解Linux下的目录结构、基本命令、编辑器VI ,编译器GCC，调试器GDB和 Make 项目管理工具, Shell、 Makefile脚本编写等知识，嵌入式开发环境的搭建。
3.Linux系统编程
重点学习标准I/O库，Linux多任务编程中的多进程和多线程，以及进程间通信(pipe、FIFO、消息队列、共享内存、signal、信号量等)，同步与互斥对共享资源访问控制等重要知识，主要提升对Linux应用开发的理解和代码调试的能力。
4.Linux网络编程
计算机网络在嵌入式Linux系统应用开发过程中使用非常广泛，通过Linux网络发展、TCP/IP协议、socket编程、TCP网络编程、UDP网络编程、Web编程开发等方面入手，全面了解Linux网络应用程序开发。重点学习网络编程相关API，熟练掌握TCP协议服务器的编程方法和并发服务器的实现，了解HTTP协议及其实现方法，熟悉UDP广播、多播的原理及编程方法，掌握混合C/S架构网络通信系统的设计，熟悉HTML,Javascript等Web编程技术及实现方法。
5.数据结构与算法
数据结构及算法在嵌入式底层驱动、通信协议、及各种引擎开发中会得到大量应用，对其掌握的好坏直接影响程序的效率、简洁及健壮性。此阶段的学习要重点理解数据结构与算法的基础内容，包括顺序表、链表、队列、栈、树、图、哈希表、各种查找排序算法等应用及其C语言实现过程。
6.Cortex A8 、Linux 平台开发
通过基于ARM Cortex-A8处理s5pv210了解芯片手册的基本阅读技巧，掌握s5pv210系统资源、时钟控制器、电源管理、异常中断控制器、nand flash控制器等模块，为底层平台搭建做好准备。Linux平台包括内核裁减、内核移植、交叉编译、GNU工具使用、内核调试、Bootloader介绍、制作与原理分析、根文件系统制作以及向内核中添加自己的模块，并在s5pv210实验平台上运行自己制作的Linux系统,集成部署Linux系统整个流程。同时了解Android操作系统开发流程。Android系统是基于Linux平台的开源操作系统，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成，是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件，目前它的应用不再局限于移动终端，还包括数据电视、机顶盒、PDA等消费类电子产品。
7.驱动开发
驱动程序设计是嵌入式Linux开发工作中重要的一部分，也是比较困难的一部分。本阶段的学习要熟悉Linux的内核机制、驱动程序与用户级应用程序的接口，掌握系统对设备的并发操作。熟悉所开发硬件的工作原理，具备ARM硬件接口的基础知识，熟悉ARM Cortex-A8处理器s5pv210各资源、掌握Linux设备驱动原理框架，熟悉工程中常见Linux高级字符设备、块设备、网络设备、USB设备等驱动开发，在工作中能独立胜任底层驱动开发。
Ⅵ Linux操作系统的主要组成部分是什么
Linux系统
一般有4个主要部分：内核、shell、文件系统和应用程序。内核、shell和文件系统一起形成了基本的
操作系统结构
，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。
一．
Linux内核
内核是操作系统的核心，具有很多最基本功能，如
虚拟内存
、多任务、共享库、需求加载、
可执行程序
和TCP/
IP网络
功能。Linux内核的模块分为以下几个部分：
存储管理
、CPU和
进程管理
、文件系统、设备管理和驱动、网络通信、系统的初始化和
系统调用
等。
二．Linux
shell
shell是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行，是一个命令
解释器
。另外，
shell编程
语言具有普通编程语言的很多特点，用这种编程语言编写的
shell程序
与其他应用程序具有同样的效果。
三．
Linux文件系统
文件系统是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。Linux系统能支持多种目前流行的文件系统，如
EXT2
、
EXT3
、FAT、
FAT32
、VFAT和
ISO9660
。
四．Linux应用程序
标准的Linux系统一般都有一套都有称为应用程序的
程序集
，它包括
文本编辑器
、编程语言、XWindow、
办公套件
、Internet工具和数据库等。