深入理解Linux运行原理-linux运行原理 (深入理解Linux内核第三版pdf)

教程大全 2025-07-16 13:06:14 浏览次

Linux是一个非常重要的操作系统，它在日常生活中扮演着非常重要的角色。本文将深入探讨Linux运行原理，以及如何利用不同的组件来实现高性能操作系统。

首先，Linux是基于POSIX标准编写的，这就意味着它具备POSIX标准定义的各种功能，例如进程控制、文件系统支持、网络功能等。它还支持一些其他的特性，例如虚拟内存、虚拟文件系统、流量控制和安全等。同时，Linux内核中还包含了一些驱动程序，用于管理硬件设备，如硬盘、网卡、显卡等。Linux的运行原理是建立在POSIX标准和驱动程序组件的基础上的。

Linux的运行原理是以内核和shell组件为关键的。内核是操作系统核心，它负责向系统中提供各种服务，这些服务包括内存管理、CPU调度和进程控制等。shell组件是一系列程序，它们通过用户定义的模块来实现不同的功能，例如命令提示符、磁盘管理和文件搜索等。

使用Linux上的kernel构建程序可以使用shell来组织运行环境。下面我们来看一个简单的例子：

printf(“Hello World!\n”);

上面这段代码使用了标准的C语言，使用shell来编译它，可以使用以下命令：gcc main.c -o hello。该命令表示将main.c编译成一个文件，并将其命名为hello。如果需要编译多个文件，可以使用以下命令：gcc main.c foo.c bar.c -o hello，这样可以将多个源文件编译成一个文件hello。

接下来可以运行 hello 程序，使用执行命令：./hello 。这可以让程序正确执行，输出 “Hello World!”。这只是一个简单的例子，但它展示了Linux运行原理的核心概念，即kernel与shell组件的作用以及它们如何协同工作来实现高性能的操作系统。

综上所述，Linux的运行原理是基于POSIX标准的，它的核心概念是内核和shell组件，它们对应操作系统的不同功能，通过驱动程序管理硬件设备，并且可以利用程序组织运行环境来完成不同的任务，以实现高性能的操作系统。

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各主流LinuX系统性能对比是怎么样的？免费授权使用的有哪些？

Linux，全称GNU/Linux，是一种免费使用和自由传播的类UNIX操作系统，其内核由林纳斯·本纳第克特·托瓦兹于1991年10月5日首次发布，它主要受到Minix和Unix思想的启发，是一个基于POSIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的Unix工具软件、应用程序和网络协议。它支持32位和64位硬件。 Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。 Linux有上百种不同的发行版，如基于社区开发的debian、Archlinux，和基于商业开发的Red Hat Enterprise Linux、SUSE、Oracle Linux等。

2021年6月，根据Linux 5.14刚刚进入合并队列的char-misc-next提交，Linux 5.14正式移除了RAW驱动。

linux的内核运行原理是怎么样的呢？如何从开机，到加载内核镜像到内存？

当PC启动时,Intel系列的CPU首先进入的是实模式,并开始执行位于地址0xFFFF0处的代码,也就是ROM-BIOS起始位置的代码。 BIOS先进行一系列的系统自检,然后初始化位于地址0的中断向量表。最后BIOS将启动盘的第一个扇区装入到0x7C00,并开始执行此处的代码。这就是对内核初始化过程的一个最简单的描述。最初,linux核心的最开始部分是用8086汇编语言编写的。当开始运行时,核心将自己装入到绝对地址0x,再将其后的2k字节装入到地址0x处,最后将核心的其余部分装入到0x。当系统装入时,会显示Loading...信息。装入完成后,控制转向另一个实模式下的汇编语言代码boot/Setup.S。 Setup部分首先设置一些系统的硬件设备,然后将核心从0x处移至0x1000处。这时系统转入保护模式,开始执行位于0x1000处的代码。接下来是内核的解压缩。 0x1000处的代码来自于文件Boot/head.S,它用来初始化寄存器和调用decompress_kernel( )程序。 decompress_kernel( )程序由Boot/inflate.c,Boot/unzip.c和Boot../misc.c组成。解压缩后的数据被装入到了0x处,这也是linux不能在内存小于2M的环境下运行的主要原因。解压后的代码在0x处开始执行,紧接着所有的32位的设置都将完成： IDT、GDT和LDT将被装入,处理器初始化完毕,设置好内存页面,最终调用start_kernel过程。这大概是整个内核中最为复杂的部分。 [系统开始运行]linux kernel 最早的C代码从汇编标记startup_32开始执行startup_32:start_kernellock_kerneltrap_initinit_IRQsched_initsoftirq_inittime_initconsole_init#ifdef CONFIG_MODULESinit_modules#endifkmem_cache_initsticalibrate_delaymem_initkmem_cache_sizes_initpGTAble_cache_initfork_initproc_caches_initvfs_caches_initbuffer_initpage_cache_initsignals_init#ifdef CONFIG_PROC_FSproc_root_init#endif#if defined(CONFIG_SYSVIPC)ipc_init#endifcheck_bugssmp_initrest_initkernel_threadunlock_kernelcpu_idle・startup_32 [arch/i386/kernel/head.S]・start_kernel [init/main.c]・lock_kernel [include/asm/smplock.h]・trap_init [arch/i386/kernel/traps.c]・init_IRQ [arch/i386/kernel/i8259.c]・sched_init [kernel/sched.c]・softirq_init [kernel/softirq.c]・time_init [arch/i386/kernel/time.c]・console_init [drivers/char/tty_io.c]・init_modules [kernel/module.c]・kmem_cache_init [mm/slab.c]・sti [include/asm/system.h]・calibrate_delay [init/main.c]・mem_init [arch/i386/mm/init.c]・kmem_cache_sizes_init [mm/slab.c]・pgtable_cache_init [arch/i386/mm/init.c]・fork_init [kernel/fork.c]・proc_caches_init・vfs_caches_init [fs/dcache.c]・buffer_init [fs/buffer.c]・page_cache_init [mm/filemap.c]・signals_init [kernel/signal.c]・proc_root_init [fs/proc/root.c]・ipc_init [ipc/util.c]・check_bugs [include/asm/bugs.h]・smp_init [init/main.c]・rest_init・kernel_thread [arch/i386/kernel/process.c]・unlock_kernel [include/asm/smplock.h]・cpu_idle [arch/i386/kernel/process.c]start_kernel( )程序用于初始化系统内核的各个部分,包括：*设置内存边界,调用paging_init( )初始化内存页面。 *初始化陷阱,中断通道和调度。 *对命令行进行语法分析。 *初始化设备驱动程序和磁盘缓冲区。 *校对延迟循环。最后的functionrest_init 作了以下工作:・开辟内核线程init・调用unlock_kernel・建立内核运行的cpu_idle环, 如果没有调度,就一直死循环实际上start_kernel永远不能终止.它会无穷地循环执行cpu_idle.最后,系统核心转向move_to_user_mode( ),以便创建初始化进程（init）。此后,进程0开始进入无限循环。初始化进程开始执行/etc/init、/bin/init 或/sbin /init中的一个之后,系统内核就不再对程序进行直接控制了。之后系统内核的作用主要是给进程提供系统调用,以及提供异步中断事件的处理。多任务机制已经建立起来,并开始处理多个用户的登录和fork( )创建的进程。 [init]init是第一个进程,或者说内核线程initlock_kerneldo_basic_setupmtrr_initsysctl_initpci_initsock_initstart_context_threaddo_init_calls(*call())-> kswapd_initprepare_namespacefree_initmemunlock_kernelexecve[目录]--------------------------------------------------------------------------------启动步骤系统引导：涉及的文件./arch/$ARCH/boot/bootsect.s./arch/$ARCH/boot/.S这个程序是linux kernel的第一个程序,包括了linux自己的bootstrap程序,但是在说明这个程序前,必须先说明一般IBM PC开机时的动作(此处的开机是指打开PC的电源):一般PC在电源一开时,是由内存中地址FFFF:0000开始执行(这个地址一定在ROM BIOS中,ROM BIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中),而此处的内容则是一个jump指令,jump到另一个位於ROM BIOS中的位置,开始执行一系列的动作,包括了检查RAM,keyboard,显示器,软硬磁盘等等,这些动作是由系统测试代码(system test code)来执行的,随着制作BIOS厂商的不同而会有些许差异,但都是大同小异,读者可自行观察自家机器开机时,萤幕上所显示的检查讯息。紧接着系统测试码之后,控制权会转移给ROM中的启动程序(ROM bootstrap routine),这个程序会将磁盘上的第零轨第零扇区读入内存中(这就是一般所谓的boot sector,如果你曾接触过电脑病毒,就大概听过它的大名),至於被读到内存的哪里呢? --绝对位置07C0:0000(即07C00h处),这是IBM系列PC的特性。而位在linux开机磁盘的boot sector上的正是linux的bootsect程序,也就是说,bootsect是第一个被读入内存中并执行的程序。现在,我们可以开始来看看到底bootsect做了什么。第一步首先,bootsect将它自己从被ROM BIOS载入的绝对地址0x7C00处搬到0x处,然后利用一个jmpi(jump indirectly)的指令,跳到新位置的jmpi的下一行去执行,第二步接着,将其他segment registers包括DS,ES,SS都指向0x9000这个位置,与CS看齐。另外将SP及DX指向一任意位移地址( offset ),这个地址等一下会用来存放磁盘参数表(disk para- meter table )第三步接着利用BIOS中断服务int 13h的第0号功能,重置磁盘控制器,使得刚才的设定发挥功能。第四步完成重置磁盘控制器之后,bootsect就从磁盘上读入紧邻着bootsect的setup程序,也就是setup.S,此读入动作是利用BIOS中断服务int 13h的第2号功能。 setup的image将会读入至程序所指定的内存绝对地址0x处,也就是在内存中紧邻着bootsect 所在的位置。待setup的image读入内存后,利用BIOS中断服务int 13h的第8号功能读取目前磁盘的参数。第五步再来,就要读入真正linux的kernel了,也就是你可以在linux的根目录下看到的vmlinuz 。在读入前,将会先呼叫BIOS中断服务int 10h 的第3号功能,读取游标位置,之后再呼叫BIOS 中断服务int 10h的第13h号功能,在萤幕上输出字串Loading,这个字串在boot linux时都会首先被看到,相信大家应该觉得很眼熟吧。第六步接下来做的事是检查root device,之后就仿照一开始的方法,利用indirectjump 跳至刚刚已读入的setup部份第七步setup.S完成在实模式下版本检查,并将硬盘,鼠标,内存参数写入到 INITSEG中,并负责进入保护模式。第八步操作系统的初始化。