1、Linux内核简介
a、Linux系统是如何构成的？
Linux系统可以分成用户空间和内核空间
用户空间：用户程序，C库；
内核空间：内核，系统调用接口，体系结构相关代码；
b、为什么Linux系统会被划分为用户空间与内核空间？
现代CPU通常实现了不同的工作模式，以ARM为例，实现了7种工作模式：
系统模式（Sys），用户模式（Usr）、管理模式（Svc）、外部中断模式（Irq）、快速中断模式（Fiq）、数据访问中止模式（abt）、未定义指令异常模式（und）；X86也实现了4个不同的级别：Ring0——Ring3。Ring0下，可以执行特权指令，可以访问IO设备等，在Ring3则有很多限制。Linux系统利用了CPU这一特性，使用了其中的两极来分别运行Linux内核与应用程序，这样是操作系统本身得到充分的保护。例如：如果使用X86，用户代码运行在Ring3，内核代码运行在Ring0。
c、内核空间与用户空间是程序执行的两种不同的状态，通过系统调用和硬件中断能够完成从用户空间到内核空间的转移。
d、Linux内核是如何构成的？
（7个部分）：1>系统调用接口（SCI）：SCI层为用户空间提供了一套标准的系统调用函数来访问Linux内核，搭起了用户空间到内核空间的桥梁。
2>进程管理（PM）：进程管理的重点是创建进程（fork，exec），停止进程（kill，exit），并控制他们之间的通信（signal或者POSIX机制）。进程管理还包括控制进程如何共享CPU，即进程调度。
3>内存管理(MM):内存管理的主要作用是控制多个进程安全的共享内存区域，对内存回收，映射管理。
4>虚拟文件系统（VFS）：VFS隐藏各种文件系统的具体细节，为文件操作提供统一的接口。
5>架构体系相关代码（Arch）：内核所支持的各种CPU体系的相关代码，跨平台移植时需要修改。
6>网络协议栈（NS）：网络协议栈为Linux提供了丰富的网络协议实现。
7>设备驱动（DD）：Linux内核有大量代码都在设备驱动程序中，他们控制特定的硬件设备。
2、Linux内核源代码
Linux内核源代码采用树形结构进行组织，非常合理地把功能相关的文件都放在同一个子目录下，使得程序更具有可读性。内核源代码下载地址：
1>arch目录：architecture的缩写。内核所支持的每种CPU体系，在该目录下都有对应的子目录。每个CPU的子目录，又进一步分解为boot，mm，kernel等子目录，分别包含控制系统引导，内存管理，系统调用等。
2>block目录：部分块设备驱动程序。
3>crypto目录:加密、压缩，CRC校验算法。
4>documention:内核的文档。
5>drivers目录：设备驱动程序。
6>fs目录：存放各种文件系统的实现代码，每个子目录对应一种文件系统的实现，公用的源程序用于实现虚拟文件系统VFS。
||--devpts:/dev/pts虚拟文件系统
||--ext2:第二扩展文件系统
||--fat：MS的fat32文件系统
||--isofs：ISO9660光盘cd-rom上的文件系统
7>include目录：内核所需要的头文件。与平台无关的头文件在include/linux子目录下，与平台有关的头文件则放在相应的子目录中。
8>lib目录：库文件代码。
9>mm目录：mm目录中的文件用于实现内存管理中与体系结构无关的部分。与体系结构有关的部分在arch目录。
10>net目录：网络协议的实现代码
||--802：802无线通讯协议核心支持代码
||--appletalk：与苹果系统联网的协议
||--ax25：AX25无线INTERNET协议
||--bridge：桥接设备
||--ipv4：IP协议族V4版32位寻址模式
||--ipv6：IP协议族V6版
11>samples:一些内核编程的范例。
12>scripts:配置内核的脚本。
13>security:SElinux的模块。
14>sound：音频设备的驱动程序。
15>usr：cpio命令实现。用于制作根文件系统的，把文件系统和内核放置一起的命令。是用户程序。
16>virt：内核虚拟机。
3、LInux内核配置与编译（必备技能）
Linux内核具有可制订的优点，具体步骤如下：
1>清除临时文件，中间文件和配置文件。
* make clean
remove most genrated files but keep the config(删除大多数产生的文件保存配置文件)
* make mrproer
remove all generated files + config files（删除所有产生的文件包括配置文件）
* make distclean
mrproper + remove editor backup and patch files
2>确定目标系统的软硬件配置情况，比如CPU的类型、网卡的型号、所需支持的网络协议等。
3>使用如下命令之一配置内核：
* make config:基于文本模式的交互式配置 。
* make menuconfig:基于文本模式的菜单型配置。（推荐使用）
* make oldconfig: 使用已有的配置文件（.config）,但是会询问新增的配置选项。
* make xconfig: 图形化的配置（需安装图形化系统）。
4>make menuconfig是最为常用的内核配置方式，使用方法如下：
a>使用方向键在各选项间移动；
b>使用ENTER键进入下一层选单；每个选项上的高亮字母是键盘快捷方式，使用它可以快速地达到想要设置的选单项。
c>在括号中按“y”将这个项目编译进内核中，按“m”编译为模块，按“n”为不选择（按空格键也可在编译进内核、编译为模块和不编译三者间进行切换），按“h”将显示这个选项的帮助信息，按“Esc”键将返回到上层选单。
5>配置菜单中的项该怎么选择呢？
Code maturity level options(代码成熟度选项)
Prompt for debelopment and/or incomplete code/drivers
显示尚在开发中或尚未完成的代码与驱动，除非你是测试人员或者开发者，否则请勿选择。
General setup(常规设置)
Local version-append to kernel release
在内核版本后面加上自定义的版本字符串（小于64字符）可以用“uname -a”命令看到
Automatically append version ingormation to the version string
自动在版本字符串后面添加版本信息，编译时需要perl以及git仓库支持
Support for paging of anonymous memory(swap)
使用交换分区或者交换文件来作为虚拟内存
System V IPC
System V 进程间通信（IPC）支持许多程序需要这个功能建议选
POSIX Message Queues
POSIX消息队列支持
BSD Process Accounting
将进程的统计信息写入文件的用户级系统调用，主要包括进程的创建时间/创建者/内存占用等信息
BSD Process Accounting version 3 file format
使用新的第三版文件格式，可以包含每个进程的PID和其父进程的PID但是不兼容老版本的文件格式
Export task/process statics through netlink
Loadable module support(可加载模块支持)
Enable loadable module support
打开可加载模块支持，如果打开它则必须通过“make modules install”把内核模块安装在/lib/modules/中
Module unloading
允许卸载已经加载的模块
Forced module unloading
允许强制卸载正在使用中的模块（比较危险）
Module versioning support
允许使用其他版本的模块（可能会出问题）
Source checksum for all modules
为所有的模块校验源码，如果你不是自己编写内核就不需要它
Automatic kernel module loading
让内核通过运行modprobe来自动加载所需要的模块，比如可以自动解决模块的依赖关系
块设备、CPU类型、电源管理、总线、可执行文件的格式、网络、
内核配置通常在一个已有的配置文件基础上，通过修改得到新的配置文件，Linux内核提供了一系列可供参考的内核配置文件位于Arch/$cpu/configs
4>编译内核：
make zImage make bzImage
区别：在X86平台，zImage只能用于小于512K的内核
如果想获取详细编译信息，可使用：make zImage V = 1 make bzImage V = 1
编译好的内核位于arch//boot/目录下
5>编译内核模块：make modules
6>安装内核模块：make modules_install
将编译好的内核模块从内核源代码目录copy至/lib/nodules下。
7>制作init ramdisk
mkinitrd initrd-$version $version
例：
mkinitrd initrd-2.6.29 2.6.29
$version可以通过查询/lib/modules下的目录得到。
8>内核安装（X86）
a、cp arch/x86/boot/bzImage/boot/vmlinuz-$version
b、cp $initrd/boot/
c、修改/etc/grub.conf或者/etc.lilo.conf
$version为所编译的内核版本号
4、内核模块开发
1>什么是内核模块？
Linux内核的整体结构非常庞大，其他包含的组件也非常多，如何使用需要的组件呢：
方法一：把所有的组件都编译进内核文件，即zImage或bzImage，但这样会导致两个问题：一是生成的内核文件过大；二是如果要添加或删除耨个组件，需要重新编译整个内核。
方法二：有一种机制（内核模块机制）能让内核文件（zImage或bzImage）本身并不包含某个组件，而是该组件需要被使用的时候，动态的添加到正在运行的内核中。
2>内核模块特点
*模块本身并不被编译进内核文件（zImage或者bzImage）
*可以根据需求，在内核运行期间动态的安装或卸载。
#include
#include
static int hello_init(void)
{
printk(KERN_WARNING"Hello,world!\n");
return 0;
}
static void hello_exit(void)
{
printk(KERN_INFO"Goodbye,world\n");
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
1、模块加载函数（必需）
安装模块时被系统自动调用的函数，通过module_init宏来指定。
2、模块卸载函数（必需）
卸载模块时被系统自动调用的函数，通过module_exit宏来指定。
在Linux2.6下编译一般使用makefile编译模块。
/*makefile*/
****************************************************************************
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m := hello.o
else
KDIR := /lib/modules/2.6.18-53.e15/build
all:
make -C $(KDIR) M=$(PWD)modules
clean:
rm -f *.ko *.o *.mod.o *.symvers
endif
***************************************************************
内核模块时多个源文件的makefile
***************************************************************
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m :=mymodule.o
mymodule-objs := main.o add.o
else
KDIR := /lib/modules/2.6.18-53.e15/build
all:
make -C $(KDIR) M=$(PWD)modules
clean:
rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers
endif
***************************************************************************
安装于卸载
加载insmod(insmod hello.ko)
卸载rmmod(rmmod hello)
查看lsmod
加载modprobe（modprobe hello）
modprobe如同insmod，也是加载一个模块到内核。它的不同之处在于它会根据文件
/lib/modules/<$version>/modules.dep来查看要加载的模块，看是否还依赖于其他模块，如果是会首先找到这些模块，把它们加载到内核。
模块可选信息
1>许可证信息
宏MODULE_LICENSE用来告知内核，该模块带有一个许可证，没有这样的说明，加载模块时内核会抱怨。有效的许可证有“GPL”、“GPLv2”“GPL and additional rights”、“DualBSD/GPL”
“Dual MPL/GPL”和“Proprietary”。
2>作者申明（可选）
MODULE_AUTHOR(“Simon Li”)；
3>模块描述（可选）
MODULE_DESCRIPTION（"Hello World"）
4>模块版本（可选）
MODULE_VERSION("V1.0")
5>模块别名（可选）
MODULE_ALIAS("a simple module");
6>模块参数
通过module_param指定模块参数用于在加载模块时传递参数模块。
module)param(name,type,perm)
name是模块参数的名称，type是这份参数的类型，perm是模块参数的访问权限。
type常见值：
bool：int： charp：
perm常见值：
S_IRUGO：任何用户都对/sys/module中出现的该参数具有读权限
S_IWUSR：允许root用户修改/sys/module中出现的该参数
例如：
int a = 3;
char* st;
module_param(a,int,S_IRUGO);
module_param(st,charp,S_IRUGO);
7>内核符号导出
/proc/kallsyms记录了内核中所有导出的符号的名字与地址。
EXPORT_SYMBOL（符号名）
EXPORT_SYMBOL_GPL（符号名）
其中EXPORT_SYMBOL_GPL只能用于包含GPL许可证的模块。
8>常见的问题
版本不匹配：disagrees about version of symbol struct_module insmod:error inserting 'hello.ko':-1 Invalid module format
解决办法：
1、使用modprobe--force-modversion强行插入
2、确保编译内核模块时，所依赖的内核代码版本等同于当前正在运行的内核。
可通过uname -r查看当前运行的版本号。
总结--对比应用
对比应用程序，内核模块具有以下不同：
医用程序是从头到尾执行任务，执行结束后从内存中消失。内核模块是现在内核中注册自己以便服务于将来的某个请求，然后它的初始化函数结束，此时模块任然存在于内核中，知道卸载函数调用，模块才从内核中国消失。
内核打印：
pringk是内核中出现最频繁的函数之一，通过printk与printf对比，将有助于理解。
不同点：printk在内核中使用，printf在应用程序中使用，printk允许根据严重程度，通过附加不同的“优先级”来对消息分类。
在中定义了8中记录级别。按照优先级递减的顺序分别是：
KERN_EMERG<0>用于紧急消息，常常是那些崩溃前的消息。
KERN_ALERT<1>需要立刻行动的消息。
KERN_CRIT<2>严重情况。
KERN_ERR<3>错误情况。
KERN_WARNING<4>有问题的警告
KERN_NOTICE<5>正常情况，但是任然值得注意
KERN_INFO<6>信息型消息。
KERN_DEBUG<7>用作调试消息。
没有指定优先级的printk默认使用DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL优先级，它是一个在kernel/printk.c中定义的整数。在2.6.29内核中#define DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL 4。
控制优先级配置
/proc/sys/kernel/printk
6 4 1 7
*Console_loglevel
*Default_message_loglevel
*Minimim_console_level
*Default_console_loglevel
