# 内核
# 架构
Linux 系统架构从上到下分为三层：
- User Space ：运行用户态进程。
- 用户启动的进程一般运行在用户态，只访问虚拟内存空间中的用户内存空间。
- 当用户态进程调用内核 API、遇到中断或异常时，就会通过 CPU 上下文切换，下沉到内核态，有权限执行内核内存空间中的代码、访问底层硬件。
- 划分进程的用户态、内核态是为了提高系统的安全性、稳定性，避免进程随便调用内核 API 导致内核故障。
- Kernel Space ：运行内核态进程。
- System Call Interface（SCI）：向上对用户空间提供内核接口。
- Virtual File System（VFS）：一个抽象的文件系统层，向下管理不同类型的文件系统，向上提供统一的文件系统接口。
- File System ：实际的文件系统层，包括多种文件系统。
- General Block Device Layer ：一个抽象的块设备层，向下管理不同类型的硬件设备，向上提供统一的 IO 接口。
- Device Driver ：有很多种，分别管理不同设备。
- Hardware Layer ：计算机底层的硬件层。
# 中断
Linux 系统处理中断的过程通常分为两步：
- 处理硬件中断请求，立即处理其中不能延误的任务。
- 以软件中断的形式执行剩下的任务，比如创建成内核线程。
- 这样既可以及时执行中断中重要的任务，又可以延迟执行耗时久的任务。
- 例如：当网卡收到数据帧时，会发出一个硬中断，让网卡驱动程序将数据帧拷贝到内核缓冲区中。然后网卡驱动程序发出一个软中断，通知某个内核进程来解析数据帧，转换成 IP、TCP 等协议包，最后交给给应用层的进程。
# 内核线程
Linux 启动时，kthreadd 进程会创建一些内核线程（kernel thread），用于执行一些内核任务。
- 内核线程是一种特殊的进程，有 task_struct 结构体，有独立的 PID 。但只能在内核态运行，没有虚拟内存空间。
内核线程举例：
- kthreadd
- 系统开机时创建的第三个进程，PID 为 2 ，负责创建、管理所有内核线程。
- kworker
- 负责并行执行内核 Workqueue 中的任务，比如定时器、中断、IO 。
- 在 CPU 每个核上运行一个实例。
- migration
- 负责在多个 CPU 核之间迁移运行中的进程，从而避免单核故障、实现负载均衡。
- 在 CPU 每个核上运行一个实例。
- watchdog
- 负责避免系统死机。进程启动之后会打开 /dev/watchdog 文件，不断对它进行写操作。如果在一定时间内（默认为 1 分钟）没有进行写操作，就会通过硬件或软件重启系统。
- 在 CPU 每个核上运行一个实例。
- kauditd
- 负责记录各种系统调用、文件访问的审计日志，保存到 /var/log/audit/* 。
- kblockd
- 负责管理块设备。
- 在系统中只运行一个实例。
- kswapd0
- 负责管理 Swap 分区。
- kthreadd
# 内核参数
# sysctl
：一个内置命令，用于读取、配置系统运行时的内核参数。
- 用法：
sysctl <var> # 读取指定参数的值 [-w] <var>=<value> # 设置指定参数的值 -a # 显示所有可修改的内核参数 -p <file> # 加载指定文件中的配置参数（默认是 /etc/sysctl.conf 文件）- 执行
sysctl -a会从/proc/sys/目录下的各个文件读取内核参数（超过一千个），然后打印到终端。- 例如，参数
net.ipv4.tcp_keepalive_time对应的文件是/proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time。
- 例如，参数
- 用 sysctl 命令可修改运行时参数，但是在主机重启时会复原。
- 将配置参数保存到
/etc/sysctl.conf文件中才能永久生效。系统每次重启时会自动加载该文件，用户也可以执行sysctl -p主动加载。
- 将配置参数保存到
- 执行
# 配置参数
参考文档：
配置文件采用 INI 格式。
- 键值对用 = 分隔，中间的空格会被忽略。
- 值通常是字符串型、整型或布尔型。
- 其中，布尔型用 1、0 分别表示 True、False 。
关于进程：
kernel.pid_max = 32768 # 整个系统中，同时运行进程的最大数量 kernel.threads-max = 126935 # 整个系统中，同时运行线程的最大数量。默认值与主机内存成正比关于内存：
vm.max_map_count = 65530 # 每个进程创建的内存映射区域（memory map areas）的最大数量，它们用于 malloc、shared librarie vm.swappiness = 30 # 使用 swap 内存的推荐度，取值范围为 0~100 ，0 表示禁用 vm.overcommit_memory = 0 # 是否允许内核分配出去的内存超过物理内存的总量，因为分配的内存不一定会被进程实际使用 # 0 ：根据启发式算法适量允许 # 1 ：始终允许，此时可能因为物理内存不足而触发 OOM # 2 ：始终不允许超过物理内存的 vm.overcommit_ratio 百分比，此时不会触发 OOM ，但可能因为内存不足而不能创建新进程 vm.overcommit_ratio = 50 vm.oom_kill_allocating_task = 0 # 执行 OOM 的策略。取值如下： # 0 ：扫描全部进程，选出 oom_score 最大的进程然后杀死 # 1 ：杀死当前申请内存而导致内存不足的进程 vm.panic_on_oom = 0 # 是否不执行 OOM ，而是让系统重启关于文件：
fs.file-max = 791098 # 整个系统中，允许同时打开文件的最大数量 # 每个文件的 inode、dcache 大概占用 1k 内存。默认设置的 fs.file-max 会允许文件占用可用内存的 10%关于网络：
net.ipv4.icmp_echo_ignore_all = 0 # 是否忽略所有 icmp 包，这样本机就不能被 ping 到 net.ipv4.ip_forward = 1 # 如果一个网口收到数据包时，不匹配目标 IP ，是否转发给其它匹配目标 IP 的网口，相当于路由转发功能。建议设置为 1 net.ipv4.ip_local_port_range = 10000 65535 # 允许 Socket 绑定的本地端口范围。默认值为 10000 65535 或 32768 60999 # 关于建立 TCP 连接 net.core.somaxconn = 128 # 限制了调用 listen() 函数时，backlog 的最大值 net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 128 # SYN 队列的最大长度，默认值与内存成正比 net.ipv4.tcp_syncookies = 1 # 是否启用 SYN Cookies 功能。取值如下： # 0 ：不启用 # 1 ：默认值，当 SYN 队列满了时启用 # 2 ：总是启用 net.ipv4.tcp_abort_on_overflow= 0 # 当 accept 队列满了时，server 怎么处理新的 ESTABLISHED 连接。取值如下： # 0 ：默认值，丢弃 client 发来的 ACK 包 # 1 ：回复一个 RST 包给 client ，表示拒绝连接 # 关于保持 TCP 连接 net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200 net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75 net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9 # 如果本机的一个 TCP 连接长达 tcp_keepalive_time 秒没有用于数据通信，则探测一下对方主机是否仍然在线。每隔 tcp_keepalive_intvl 秒探测一次，最多探测 tcp_keepalive_probes 次 # 因此一个 TCP 连接空闲时长达到 tcp_keepalive_time + tcp_keepalive_intvl * tcp_keepalive_probes 之后会被关闭 # 减小该值可以尽早关闭无用的 Socket ，比如 CLOSE_WAIT 状态的 Socket # 如果同一对 client、server 多次建立 TCP 连接，旧连接的 Socket 处于 TIME-WAIT 状态而尚未关闭，则建立新连接时，是否允许复用旧 Socket ，而不是创建新 Socket net.ipv4.tcp_tw_reuse = 0 # 当 client 多次向同一个 server 建立 TCP 连接时，是否允许复用 TIME-WAIT 状态的 Socket 。该参数只能作用于 client 即主动连接方，对 server 无效 net.ipv4.tcp_tw_recycle = 0 # 当 server 多次被同一个 client 建立 TCP 连接时，是否允许复用 TIME-WAIT 状态的 Socket 。该措施可能搞混在同一 NAT 网关之后的不同客户端，因此从 Linux 4.12 开始弃用 # 关于关闭 TCP 连接 net.ipv4.tcp_fin_timeout = 60 # 如果 Socket 保持在 FIN-WAIT-2 状态超过该时长，则关闭 Socket 。通常设置为 2*MSL 时长 net.ipv4.tcp_max_orphans = 65536 # 限制 orphan Socket 的最大数量，超过限制则自动回收。默认值与主机内存成正比 net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 65536 # 限制 TIME-WAIT 状态的 Socket 的数量，超过限制则会立即关闭 Socket 。默认值与内存成正比 # 关于 Socket 的内存缓冲区 net.core.rmem_default = 212992 # 单个 Socket 接收缓冲区的默认容量，默认为 208 KB net.core.wmem_default = 212992 # 单个 Socket 发送缓冲区的最大容量 net.core.rmem_max = 212992 # 最大容量 net.core.wmem_max = 212992 net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 6291456 # 单个 TCP Socket 接收缓冲区的容量，分别为最小值、默认值、最大值，单位 bytes net.ipv4.tcp_wmem = 4096 16384 4194304 # 单个 TCP Socket 发送缓冲区的容量 net.ipv4.tcp_mem = 88500 118001 177000 # 系统全部 TCP Socket 缓冲区的容量的最小值、压力值、最大值，单位为内存页 page 。默认值与主机内存成正比 # 低于最小值时，说明内存无压力 # 超过最小值时，开始节省给 Socket 分配的内存 # 超过最大值时，禁止给 Socket 分配新的 page net.ipv4.udp_mem = 574224 765634 1148448 net.ipv4.udp_rmem_min = 4096 net.ipv4.udp_wmem_min = 4096关于 netfilter ：
net.netfilter.nf_conntrack_max = 65536 # nf_conntrack 表中最多记录多少个 TCP 连接，默认值与主机 CPU 核数、内存成正比 net.netfilter.nf_conntrack_buckets = 16384 # nf_conntrack 表中的 bucket 数量，需要设置为 conntrack_max / bucket_size # nf_conntrack 是一个哈希表，由大量 bucket 组成。每个 bucket 是一个链表结构，记录 bucket_size 条 TCP 连接。每条记录大概占用 320 bytes 的内核内存 # bucket_size 取决于 `conntrack_max / conntrack_buckets` ，在 32、64 位系统分别建议为 4、8 。 # 执行 echo 16384 > /sys/module/nf_conntrack/parameters/hashsize 可在线设置该参数，但重启主机时会复原 # 执行 echo 'options nf_conntrack hashsize=16384' >> /etc/modprobe.d/iptables.conf 可永久设置该参数，但需要重启主机 net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_syn_recv = 60 net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_syn_sent = 120 net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_established = 432000 # 如果一个 ESTABLISHED 状态的 TCP 连接，保持空闲超过该时长，则删除该记录。默认为 432000 秒即 5 天，可改为 1 小时 net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_time_wait = 120 # 默认为 120 秒，对应 2*MSL ，可改为 10 秒 net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_close_wait = 60 net.netfilter.nf_conntrack_udp_timeout = 30 net.netfilter.nf_conntrack_icmp_timeout = 30如果服务器被大量客户端并发访问（比如每秒访问上百次、上千次），则可能遇到性能问题，比如响应耗时增加、请求失败率增加。解决措施：
- 首先，监控服务器的 CPU、内存、磁盘、带宽等资源的使用率。如果某一项接近 100% ，则可能是它导致了性能瓶颈。
- 然后，考虑降低服务器上述资源的使用率，比如：
- 花钱扩容服务器资源。
- 优化服务器、客户端的程序代码、配置参数，减少占用的服务器资源。
- 优化服务器的内核参数：
- 主机上同时存在的 Socket 数量主要受限于 ulimit -n 。其次受限于可用内存，每个 Socket 大约占用 3 KB 内存，对应的 IO 缓冲区最多占用 200 KB 内存。
- nf_conntrack 记录满了时会拒绝新的 TCP 连接，因此需要调大 nf_conntrack_max ，调小 nf_conntrack_xx_timeout_xx 超时时间。
- 调小 net.ipv4.tcp_keepalive_time ，更早关闭空闲连接。
# ulimit
：一个内置命令，用于设置 shell 终端占用的系统资源上限。
命令：
$ ulimit -a # 显示当前全部的资源限制信息 -H # 选择硬限制 -S # 选择软限制 -u # 显示 -u 参数的值 -u <n> # nproc ，限制同时运行的进程数最多为 n 个（不能限制 root 用户） -m <n> # rss ，限制占用的常驻内存最多为 n kb（大部分 Linux 发行版不支持该限制） -v <n> # 限制占用的虚拟内存最多为 n kb -s <n> # stack ，限制堆栈的大小为 n kb -t <n> # cpu ，限制单个进程累计占用的 CPU 时长，超过限制时则发送 SIGKILL 信号终止该进程。进程的运行状态为 Sleeping 时不计入时长 -n <n> # nofile ，限制同时打开的文件描述符数量最多为 n -f <n> # fsize ，限制创建单个文件的大小最大为 n blocks例：
ulimit -a # 显示限制（默认是软限制） ulimit -aH # 显示硬限制 ulimit -nH unlimited # 设置硬限制 ulimit -nS 1024 # 设置软限制 ulimit -n unlimited # 同时设置硬限制和软限制- 当进程占用的资源超过限制时，会被立即杀死。
- 软限制的值不能超过硬限制。
- 非 root 用户无权调大硬限制，只能调小硬限制、改变软限制。
ulimit 的配置只能作用于当前 shell 终端。而
/etc/security/limits.conf文件中的配置会对指定用户永久生效，如下：* hard nofile unlimited * soft nofile 1024 * hard maxlogins 3 * soft maxlogins 3每行的格式如下：
<domain> <type> <item> <value>- domain ：用户名或组名，也可用 * 匹配所有。
- type ：取值为 hard 或 soft ，表示硬限制或软限制。
- item、value ：限制项及其值。比如：
- maxlogins ：当前用户同时登录的最大数量
- maxsyslogins ：系统同时登录的最大数量
# eBPF
Linux 的内存分为内核空间、用户空间两部分，前者只允许内核态进程使用。想在内核空间执行自定义程序时，有几种方案：
- LKM（Linux Kernel Module，Linux内核模块）
- 原理：用户用 C 语言开发一个 Linux 内核模块，编译成扩展名为 .ko 的文件，然后用 insmod 命令加载到内核中。
- 执行命令
lsmod查看已加载的所有内核模块。
- 执行命令
- 优点：可以在 Linux 内核运行时，加载新模块，而无需重新编译内核。
- 缺点：模块运行出错时，可能导致 Linux 内核崩溃。
- 原理：用户用 C 语言开发一个 Linux 内核模块，编译成扩展名为 .ko 的文件，然后用 insmod 命令加载到内核中。
- eBPF（extended Berkeley Packet Filter，扩展伯克利包过滤器）
- 2014 年，Linux kernel 3.15 添加了 eBPF 功能。
- 原理：用户用 C 语言开发一个 eBPF 程序，用 BCC（BPF编译器集合）编译成字节码文件，然后加载到内核中，采用 JIT 技术即时编译成机器码。
- 当 Linux 内核发生系统调用、网络包等 event 时，会通过 hook 机制自动执行 eBPF 程序。
- 执行命令
bpftool prog list查看已加载的所有 eBPF 程序。
- 常见用途：
- 用于网络包过滤，比用户态进程的速度更快、吞吐量更高。
- 用于监控，在内核中收集、生成监控指标。
- 用于 debug ，跟踪某些程序的运行。
- 优点：
- 允许内核执行自定义代码，而无需重新编译内核，或加载新模块。
- 加载 eBPF 程序到内核时，会进行多种检查，比如确保该程序没有死循环，不会导致内核崩溃。