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什么是 Linux 内核?

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Linux® 内核是 Linux 操作系统(OS)的主要组件,也是计算机硬件与其进程之间的核心接口。它负责两者之间的通信,还要尽可能高效地管理资源。

之所以称为内核,是因为在操作系统中就像果实硬壳中的种子一样,控制着硬件(无论是电话、笔记本电脑、服务器,还是任何其他类型的计算机)的所有主要功能。

内容有以下四项作用:

  1. 内存管理:追踪记录有多少内存存储了什么以及存储在哪里
  2. 进程管理:确定哪些进程可以使用中央处理器(CPU)、何时使用以及持续多长时间
  3. 设备驱动程序:充当硬件与进程之间的调解程序/解释程序
  4. 系统调用和安全防护:从流程接受服务请求

在正确实施的情况下,内核对于用户是不可见的,它在自己的小世界(称为内核空间)中工作,并从中分配内存和跟踪所有内容的存储位置。用户所看到的内容(例如 Web 浏览器和文件)则被称为用户空间。这些应用通过系统调用接口(SCI)与内核进行交互。

可以这样理解内核就像是一个为高管(硬件)服务的忙碌的个人助理。助理的工作就是将员工和公众(用户)的消息和请求(进程)转交给高管,记住存放的内容和位置(内存),并确定在任何特定的时间谁可以拜访高管、会面时间有多长。

为了更具象地理解内核,不妨将 Linux 计算机想象成有三层结构:

  1. 硬件:物理机(这是系统的底层结构或基础)是由内存(RAM)、处理器(或 CPU)以及输入/输出(I/O)设备(例如存储网络和图形)组成的。其中,CPU 负责执行计算和内存的读写操作。
  2. Linux 内核:操作系统的核心。(没错,内核正处于核心的位置)它是驻留在内存中的软件,用于告诉 CPU 要执行哪些操作。
  3. 用户进程:这些是内核所管理的运行程序。用户进程共同构成了用户空间。用户进程有时也简称为进程。内核还允许这些进程和服务器彼此进行通信(称为进程间通信或 IPC)。

系统执行的代码通过以下两种模式之一在 CPU 上运行:内核模式或用户模式。在内核模式下运行的代码可以不受限制地访问硬件,而用户模式则会限制 SCI 对 CPU 和内存的访问。内存也存在类似的分隔情况(内核空间和用户空间)。这两个小细节构成了一些复杂操作的基础,例如安全防护构建容器虚拟机的权限分隔。

这也意味着:如果进程在用户模式下失败,则损失有限,无伤大雅,可以由内核进行修复。另一方面,由于内核进程要访问内存和处理器,因此内核进程的崩溃可能会引起整个系统的崩溃。由于用户进程之间会有适当的保护措施和权限要求,因此一个进程的崩溃通常不会引起太多问题。
此外,由于 Linux 内核可以在实时修补期间持续工作,因此在应用补丁进行安全修复时不会出现停机。 

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