Linux内核

内核结构

Linux Kernel Model

在这个架构图中 Linux被拆解为5个部分: 用户接口(human interfaces) 系统(system) 进程管理(processing) 内存管理(memnory) 存储管理(storage) 网络管理(networking)

而这五个部分又被分为7个层级:

  • 用户空间接口(userspace interfaces)[这里面包含了系统调用和系统文件]

  • 虚拟(virtual)[主要表示内核中的逻辑抽象]

  • 桥接(briges)[连接转换不同的抽象层次]

  • 逻辑层(logical)

  • 设备管理层(device control)

  • 硬件接口(hardware interfaces)

  • 设备层(electronics)

human interfaces

编译内核

编译内核与模块

make all

安装内核与模块

  make INSTALL_MOD_STRIP=1 modules_install
  make install

生成initramfs

dracut --force --no-hostonly initramfs-6.12.27-barrensea.img 6.12.27-barrensea

内核参数(启动时)

当前内核的命令行参数/proc/cmdline

  • init: 运行制定的二进制文件作为init进程

  • initrd: 指定初始的ramdisk位置

  • cryptdevice: 指定dm-crypt加密分区位置与设备映射器名称

  • debug: 启动内核调试

  • lsm: 设置linux安全模块的初始化顺序

  • maxcpus: 将启用的最大处理器数量

  • mem: 强制使用特定数量的内存

  • netdev: 网络设备参数

  • nomodeset: 禁用kernel mode setting

  • acpi_os_name: 告诉 ACPI BIOS 操作系统的名称 格式：要伪装成 Windows 98：="Microsoft Windows"

  • acpi_osi: 修改支持的操作系统接口字符串列表

    • "Microsoft Windows XP"

    • "Microsoft Windows 2000"

    • "Microsoft Windows 2000.1"

    • "Microsoft Windows ME: Millennium Edition"

    • "Microsoft WindowsME: Millennium Edition"

    • "Windows 2001"

    • "Windows 2006"

    • "Windows 2009"

    • "Windows 2012"

    • "Windows 2015"

    • "Windows 2020"

内核开发

Linux内核开发与其他项目不同. 采用邮件列表的补丁式贡献.

Linux内核分为很多子系统 比如Hwmon dma等 每个子系统都有不同的维护者.

子系统

下面列出Linux的子系统

rust-for-linux

Rust for Linux 是把 Rust 语言支持引入 Linux 内核的项目，目标是在内核中编写更安全的驱动和基础设施代码。Rust 代码仍然运行在内核态，不是用户态程序；它需要遵守内核的内存、并发、错误处理和构建规则。

子系统/组件

位于源码目录

介绍

Rust support

rust/

Rust for Linux 的核心支持代码

kernel crate

rust/kernel/

提供给内核 Rust 代码使用的基础抽象，如设备、锁、内存分配等

macros

rust/macros/

过程宏，用于模块声明、绑定生成等

bindings

rust/bindings/

由 bindgen 从 C 头文件生成的 Rust FFI 绑定

alloc

rust/alloc/

内核环境下可用的 Rust allocation 支持

uapi

rust/uapi/

用户空间 ABI 相关绑定

samples

samples/rust/

Rust 内核模块示例

docs

Documentation/rust/

Rust for Linux 文档

Kbuild

scripts/、rust/Makefile

Rust 编译、版本检查、bindgen、宏展开等构建逻辑

Rust for Linux 相关配置常见选项：

配置项

作用

CONFIG_RUST

启用内核 Rust 支持

CONFIG_RUSTC_VERSION_TEXT

记录构建内核使用的 rustc 版本

CONFIG_SAMPLES_RUST

启用 Rust 示例模块

常用构建命令：

make LLVM=1 rustavailable
make LLVM=1 menuconfig
make LLVM=1

rustavailable 用于检查当前工具链是否满足内核 Rust 支持的要求。通常需要匹配内核文档中指定版本的 rustc、bindgen、rust-src 和 LLVM/Clang。

Rust 内核代码的主要特点：

  • 不能使用 Rust 标准库 std，只能使用 core、alloc 和内核提供的抽象。

  • 通过 Result<T, Error> 表示内核错误，错误值通常对应 Linux errno。

  • 与 C 内核接口交互时需要 FFI，底层绑定来自 rust/bindings/。

  • unsafe 仍然存在，但目标是把 unsafe 限制在小范围抽象内部。

  • 当前主要适合新驱动和较独立的内核模块，核心子系统仍以 C 为主。

驱动

子系统

位于源码目录

介绍

uniwill

drivers/platform/x86/uniwill-wmi.c

uniwill模具的驱动

platform/x86

drivers/platform/x86/

x86平台相关笔记本/主板驱动

hwmon

drivers/hwmon/

硬件监控，如温度、电压、风扇

input

drivers/input/

键盘、鼠标、触摸板等输入设备

HID

drivers/hid/

USB/Bluetooth HID设备

LED

drivers/leds/

LED设备与触发器

USB

drivers/usb/

USB主机、设备、控制器驱动

PCI

drivers/pci/

PCI/PCIe总线枚举与管理

ACPI

drivers/acpi/

ACPI表、事件、电源管理

I2C

drivers/i2c/

I2C总线与设备驱动

SPI

drivers/spi/

SPI总线与设备驱动

TTY/serial

drivers/tty/、drivers/tty/serial/

终端、串口、控制台

netdev

drivers/net/

网卡与网络设备驱动

DRM/GPU

drivers/gpu/drm/

显示、显卡、KMS图形栈

sound

sound/

ALSA声卡与音频子系统

block

drivers/block/

块设备驱动

NVMe

drivers/nvme/

NVMe存储设备驱动

MMC/SD

drivers/mmc/

MMC、SD、eMMC设备

power supply

drivers/power/supply/

电池、电源适配器、充电状态

thermal

drivers/thermal/

温控区域、散热设备、降频策略

内存

子系统

位于源码目录

介绍

memory management

mm/

页分配、虚拟内存、swap、内存回收、mmap等

slab/slub

mm/

内核对象缓存分配器

page cache

mm/、fs/

文件页缓存，连接文件系统和内存管理

zswap/zsmalloc

mm/

压缩swap缓存与压缩内存分配

cma

mm/

连续物理内存分配，常用于DMA

进程与调度

子系统

位于源码目录

介绍

scheduler

kernel/sched/

进程调度器，如CFS、RT、deadline

process management

kernel/

进程创建、退出、信号等核心逻辑

signal

kernel/signal.c

Unix信号处理

fork/exec

kernel/fork.c、fs/exec.c

进程复制与程序装载

cgroup

kernel/cgroup/

资源分组、限制和统计

namespace

kernel/

pid、mount、user、net等命名空间

文件系统与存储

子系统

位于源码目录

介绍

VFS

fs/

虚拟文件系统层，统一文件接口

ext4

fs/ext4/

ext4文件系统

btrfs

fs/btrfs/

btrfs文件系统

xfs

fs/xfs/

xfs文件系统

procfs

fs/proc/

/proc 伪文件系统

sysfs

fs/sysfs/

/sys 设备模型导出接口

tmpfs

mm/shmem.c

基于内存的临时文件系统

block layer

block/

块层，请求队列、I/O调度、bio

device mapper

drivers/md/

dm-crypt、LVM等映射设备框架

md raid

drivers/md/

Linux软件RAID

网络

子系统

位于源码目录

介绍

networking core

net/core/

网络协议栈核心、skb、netdevice

IPv4

net/ipv4/

IPv4协议实现

IPv6

net/ipv6/

IPv6协议实现

netfilter

net/netfilter/

防火墙、NAT、包过滤框架

wireless

net/wireless/

cfg80211无线网络配置层

mac80211

net/mac80211/

802.11无线协议栈

bluetooth

net/bluetooth/

蓝牙协议栈

unix socket

net/unix/

Unix domain socket

eBPF

kernel/bpf/、net/bpf/

内核可编程执行环境，常用于观测和网络

安全

子系统

位于源码目录

介绍

LSM

security/

Linux Security Module框架

SELinux

security/selinux/

SELinux强制访问控制

AppArmor

security/apparmor/

AppArmor路径型访问控制

Smack

security/smack/

Smack访问控制模块

keys

security/keys/

内核密钥管理

integrity

security/integrity/

IMA/EVM完整性度量与验证

seccomp

kernel/seccomp.c

系统调用过滤

架构相关

子系统

位于源码目录

介绍

arch

arch/

CPU架构相关代码总目录

x86

arch/x86/

x86架构启动、异常、中断、页表等

arm64

arch/arm64/

ARM64架构支持

RISC-V

arch/riscv/

RISC-V架构支持

boot

arch/*/boot/

各架构启动代码与镜像生成

中断、时间与同步

子系统

位于源码目录

介绍

IRQ

kernel/irq/

中断描述符、中断处理、irqchip接口

timekeeping

kernel/time/

时钟源、定时器、时间维护

locking

kernel/locking/

mutex、spinlock、rwsem等锁实现

RCU

kernel/rcu/

Read-Copy-Update同步机制

workqueue

kernel/workqueue.c

工作队列，异步执行内核任务

观测与调试

子系统

位于源码目录

介绍

tracing

kernel/trace/

ftrace、tracepoints、事件跟踪

perf

kernel/events/、tools/perf/

性能计数器与perf工具

printk

kernel/printk/

内核日志输出

kprobes

kernel/kprobes.c

动态探针机制

debugfs

fs/debugfs/

调试用伪文件系统

KUnit

lib/kunit/

内核单元测试框架

虚拟化

子系统

位于源码目录

介绍

KVM

virt/kvm/、arch/*/kvm/

Kernel-based Virtual Machine虚拟化

virtio

drivers/virtio/

半虚拟化设备框架

vhost

drivers/vhost/

virtio后端加速

Xen

drivers/xen/、arch/x86/xen/

Xen虚拟化支持

库与通用基础设施

子系统

位于源码目录

介绍

lib

lib/

通用算法、数据结构、校验、压缩等

crypto

crypto/

内核加密算法框架

firmware

firmware/

内核内置固件相关文件

init

init/

内核初始化与启动流程

ipc

ipc/

System V IPC、POSIX消息队列等

module

kernel/module/

内核模块加载、卸载、符号解析