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Linux内核基础如何理解_系统运行原理全面解析【教程】

冷漠man

冷漠man

发布时间:2026-01-06 17:01:15

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来源于php中文网

原创

Linux内核是系统调用、进程调度、内存管理与文件抽象的实时执行者;用户态程序受限制,需通过系统调用进入内核态;task_struct标识进程,oom_killer按评分杀进程;VFS统一文件接口,一切皆文件是抽象而非实现。

linux内核基础如何理解_系统运行原理全面解析【教程】

Linux内核不是“要学的理论课”,而是你每次敲 lspstop 甚至按 Ctrl+C 中断程序时,背后正在实时调度、切换、分配资源的那个“隐形操盘手”。理解它,不为写驱动,只为看懂系统为什么卡、为什么 OOM、为什么 strace 出来的系统调用总在 read()epoll_wait() 上挂住。

什么是内核态和用户态?别被概念绕晕

简单说:你的程序(比如 vim 或一个 Python 脚本)默认运行在 用户态——它被内核“关在笼子里”:不能直接读硬盘、不能改页表、不能发网络包。一旦它想干这些事,就得通过 open()malloc()sendto() 这类函数“敲门”,触发一次 系统调用,让内核代劳。
这个“敲门”过程会从用户态切到 内核态,CPU 切换特权级,也换成内核栈。如果内核在处理这个请求时崩溃,整机就 panic;而用户程序崩了,顶多自己退出。
常见误区:glibcprintf() 不是系统调用,它只是把数据塞进缓冲区,真正落盘靠的是最后调用的 write() 系统调用。

进程怎么跑起来的?从 fork()task_struct

你在终端敲 bash,实际是 shell 调用 fork() 复制出一个新进程,再用 execve() 把新进程的内存空间替换成 bash 的代码和数据。每个活进程在内核里都对应一个 task_struct 结构体——它就是进程的“身份证+档案袋”,存着 PID、状态(RUNNING/INTERRUPTIBLE)、打开的文件描述符、内存映射、CPU 寄存器快照……
关键点:

  • 所有 task_struct 都被链入 CPU 对应的 runqueue(运行队列),调度器只从这里挑活儿干
  • 多核机器上,每个 CPU 有自己的 runqueue,进程默认绑定到某个 CPU(除非显式 sched_setaffinity()
  • 执行 ps -o pid,comm,state,wchan 时,wchan 列显示的就是该进程当前阻塞在哪个内核函数上(比如 do_sys_poll 表示正等 I/O)

内存不够用了,为什么不是直接 kill 进程?

Linux 内核不会等到物理内存彻底耗尽才行动。它有一套叫 oom_killer 的机制,在内存严重紧张时,根据每个进程的 oom_score(综合 RSS、CPU 时间、特权级等算出)选一个“最该死”的进程干掉。
但更常遇到的情况是:free -h 显示 “available” 还剩 2G,系统却卡死——这往往是因为内核无法快速回收 page cache 或 slab 缓存,或大量进程陷入 D 状态(不可中断睡眠,通常卡在磁盘 I/O)。
实操建议:

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安装教程: 1.将解压包文件全部解压到根目录 2.运行 您的域名/install 3.登录后台 您的域名/dede(帐号密码全为admin) 4.系统-数据库备份/还原-还原全部数据 5.设置系统基本参数 6.清理缓存 7.生成全部 (注:以上步骤不可以省略或者更改顺序) 修改教程: index 主页文件 head 头部文件 footer 底部文件 list 列表文件 article 内容文件

下载
  • cat /proc/meminfo | grep -E "^(Mem|Swap|SReclaimable)",重点看 SReclaimable(可回收 slab)和 SwapCached
  • echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches 可手动清 page cache(仅测试环境!生产慎用)
  • 避免写死循环频繁 malloc()/free() 小块内存——容易导致 slab 碎片化,kmemleak/sys/kernel/debug/slab 可辅助诊断

文件系统那句“一切皆文件”,到底怎么抽象的?

open("/dev/sda1", O_RDONLY)open("/tmp/log.txt", O_WRONLY) 看似一样,但内核处理路径天差地别:
前者走的是块设备驱动,最终发命令给硬盘控制器;后者走 VFS(Virtual File System)层,再分发给 ext4 或 XFS 的具体实现。
VFS 是个“中间协议层”,它定义了统一的 struct file_operations 接口(如 readwriteioctl),所有文件系统都必须填好这张“考卷”。
所以:

  • ls /proc 看到的不是磁盘文件,而是内核内存中动态生成的“伪文件”,读它们本质是调用 proc_read() 这类内核函数
  • mount -t tmpfs 创建的内存文件系统,write() 直接操作 page cache,不经过块设备层
  • 误删正在被进程使用的文件(如日志),lsof +L1 能查到“deleted” 状态的 fd——只要 fd 没关,数据还在内存/磁盘上,可从 /proc/PID/fd/ 恢复
内核的复杂性不在代码行数,而在所有模块都共享同一地址空间、同一堆栈、同一中断上下文——一个驱动里的空指针解引用,可能让整个系统静默重启。所以真正要盯住的,从来不是“怎么编译内核”,而是 dmesg -T 里那几行报错、/proc 下某个值的突变、以及 perf record -e sched:sched_switch 捕获的上下文切换毛刺。

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