Linux内核的作用

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2024年7月24日发(作者：)

Linux内核的作用

一、前言

（Linux）（操作系统）是当今世界上最为广泛使用的开源操作系

统之一，内核则是一个操作系统的核心和灵魂所在。对于一名Linux

驱动开发者来说，了解Linux内核的运行机制和Linux内核提供的一

些关键功能（如虚拟内存管理、进程管理、文件系统、（网络）协议

栈等）都是我们日常工作和学习的重点。

今天就从宏观的角度来给大家分享一下Linux内核在Linux系统

中到底处于一个什么样的地位，以及我们应该如何学习Linux内核？

二、Linux内核的作用

Linux内核的功能主要是将应用层请求传递给（硬件），并作为

底层驱动程序，以寻址系统中的各种设备和组件。下面从几个不同的

角度简单的总结一下Linux内核的作用：

从技术层面讲，内核是硬件与软件之间的一个中间层。作用是

将应用层序的请求传递给硬件，并充当底层驱动程序，对系统中的各

种设备和组件进行寻址。

从应用程序的层面讲，应用程序与硬件没有联系，只与内核有

联系，内核是应用程序知道的层次中的最底层。在实际工作中内核抽

象了相关细节。

内核是一个资源管理程序。负责将可用的共享资源(（CPU）时

间、磁盘空间、网络连接等)分配得到各个系统进程。

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内核就像一个库，提供了一组面向系统的命令。系统调用对于

应用程序来说，就像调用普通函数一样。

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通过上面的介绍我们知道了Linux内核是链接硬件和上层应用

的桥梁，通过这个桥梁我们可以直接在上层完成对硬件的操作。这么

看来Linux内核其实更像是一个管家，这个管家统筹管理这我们系统

的所有资源，你有什么请求只需要告诉这个管家即可，而不用去关心

这件事情到底是怎么完成的。

为了使得这个“管家”更好的管理我们的系统资源，Linux内核中

内注入了以下几个功能：

系统管理： Linux内核负责管理计算机硬件资源，包括（处理

器）、内存、磁盘、网络等。它与系统的其他部分（如驱动程序和系

统库）协同工作，确保良好的资源分配和管理。

进程管理： Linux内核实现了进程管理机制，控制和调度各个

运行的程序。它负责创建、销毁和切换进程，确保系统资源的合理利

用，并提供进程间（通信）和同步机制。

文件系统： Linux内核支持多种文件系统，如Ext4、Btrfs、XFS

等，负责管理和操作文件和目录。它提供了强大的文件权限、安全性

以及数据完整性保护机制。

设备驱动程序： Linux内核用于管理和控制硬件设备，通过设

备驱动程序与各种设备进行交互。它为各类硬件提供支持，如显示器、

鼠标、键盘、网络（接口）等，使得这些设备能够在Linux系统上正

常运行。

除了上面的几个重要部分外Linux内核还提供了网络协议栈、虚

拟化技术和容器、安全机制等技术。所以Linux内核是Linux系统的

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重要组成部分，也是Linux系统必不可少的存在。

三、驱动开发为什么要学习内核

通过上面的介绍我们知道驱动开发其实也属于内核开发的一部

分，驱动的作用也是处理上层发送的请求，并传递给硬件。所以作为

一名驱动开发工程师我们不但要学习如何编写Linux驱动程序，还要

熟悉Linux内核的运行机制是非常重要的。

我认为作为一名驱动开发工程师之所以需要学习和熟悉Linux

内核主要出于以下几点考虑：

3.1 理解系统底层机制与架构

Linux内核是一个复杂而庞大的项目，它涵盖了各种子系统、模

块和设备驱动程序。作为一个驱动开发工程师，理解Linux内核的体

系结构和机制可以让你更熟悉操作系统的底层（工作原理）。这包括

进程管理、内存管理、文件系统、网络协议栈等。了解这些底层机制

可以帮助我们更好地编写高效且稳定的设备驱动程序。

3.2 与内核接口进行交互

驱动开发工程师经常需要与Linux内核中的各种接口进行交互，

以实现设备的初始化、配置和数据传输等操作。学习Linux内核知识

可以帮助我们理解这些接口的使用方法和特点。例如，了解设备模型

和总线框架可以帮助你构建设备驱动程序；了解字符设备和块设备接

口可以帮助你进行输入输出操作。

3.3 故障排查和错误调试

在驱动开发过程中，经常会遇到各种故障和错误。这可能涉及

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设备初始化失败、数据传输错误、性能下降等问题。熟悉Linux内核

可以帮助我们更有效地进行故障排查和错误调试。我们可以使用内核

日志、调试工具和跟踪技术来定位问题，并深入了解内核中相关模块

的行为。这样能够快速识别和解决问题，提高驱动程序的质量和可靠

性。

3.4 驱动程序优化与性能提升

学习Linux内核知识有助于掌握一些高级技术和最佳实践，以优

化驱动程序的性能。Linux内核提供了丰富的功能和特性，如中断处

理、内存管理、数据缓存、并发控制等机制。了解这些机制可以更好

地利用内核资源，减少不必要的开销，并提高驱动程序的性能，使你

能够编写更高效、可扩展和可维护的驱动程序。

四、需要学习内核哪些知识

为了更好地编写驱动程序，我在这里给大家（推荐）几个内核

需要学习的方向，首先就是系统级别的进程管理、内存管理、文件系

统、设备驱动、网络等知识。

进程管理进程管理的重点是进程的执行。它的作用是调度（控

制系统）中的多个进程对CPU 的访问，使得多个进程能在CPU 中微

观串行，宏观并行地执行。进程调度处于系统的中心位置，内核中其

他的子系统都依赖它，因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。

内存管理它主要提供对内存资源的访问控制。Linux系统会在硬

件物理内存和进程所使用的内存（称作虚拟内存）之间建立一种映射

关系，这种映射是以进程为单位，因而不同的进程可以使用相同的虚

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拟内存，而这些相同的虚拟内存，可以映射到不同的物理内存上。

虚拟文件系统随着计算机技术的进步，存储和组织数据的方法

也是在不断进步的，从而导致有多种类型的文件系统（如：FAT、FAT32）。

而为了兼容，操作系统或者内核，要以相同的表现形式，同时支持多

种类型的文件系统，这就延伸出了虚拟文件系统（VFS）的概念。VFS

的功能就是管理各种各样的文件系统，屏蔽它们的差异，以统一的方

式，为用户程序提供访问文件的接口。

网络接口网络子系统在Linux内核中主要负责管理各种网络设

备，并实现各种网络协议栈，最终实现通过网络连接其它系统的功能。

五、学习Linux内核误区

学内核最难的就是不知道从哪里开始学，这让新手感到很困惑，

想学会但不知道如何下手。一方面又希望自己能学懂，但是又不知道

如何开始入手。这里给大家简单介绍一下我们在学习Linux内核的过

程中容易踩的坑。

我列举几个常见的例子：

1、初学者学习内核容易产生的误区上来就看内核源码，结果完

全看不懂，学习两天就放弃了。

2、抓住一本书就开始啃，比如《深入Linux内核架构》，看了两

天完全不知所云，即使有些能理解了，但是也没记住，结果看了两天

也是放弃了。看书可以从一些系统性的（教程）或者指南开始，逐步

增加难度

3、对某个知识容易钻牛角尖，刚开始就想一口气把一个知识点

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弄懂，抓住一个知识点往死里啃。这种做法可能会让你陷入一个死胡

同，因为有些知识点需要通过多个方面来理解，而不是仅仅通过一个

方面

还有很多类似的问题，这些问题在初学阶段其实很常见。我们

学习的时候要注意学习方法，不要随便挑选难度太高的内容，学习要

循序渐进。

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本文标签： 内核进程管理