架构

系统架构

• 一个 Linux 计算机包含大量软件、硬件。可以从上到下分为三层：

  • User Space
    • ：用户空间，用于运行除内核以外的所有软件。
    • 在用户空间运行的软件，其进程默认处于用户态（user mode）。但该进程可以向下调用系统接口，执行内核代码，此时该进程变为内核态（kernel mode）。
    • 例如执行 glibc 的库函数时，进程处于用户态。当库函数调用系统接口时，进程变为内核态。
  • Kernel Space
    • ：内核空间，用于运行内核。
    • 内核是操作系统中的核心软件。职责如下：
      • 向上，提供一组系统调用接口（System Call Interface，SCI），供用户态进程调用。
      • 向下，控制硬件层。例如 CPU 调度、内存分配、磁盘读写。
  • Hardware Layer
    • ：计算机的硬件层，包括 CPU、内存、磁盘等硬件设备。

• Linux 中，每个进程都运行在一个独立的虚拟内存空间中，并将该空间分成两部分：

  • 少部分空间为内核空间，用于存储内核的代码、数据。
  • 大部分空间为用户空间。

• 内核包含多个功能模块，包括但不限于：

  • SCI
  • Memory Management
  • Process Management
  • IPC（Inter-process Communication）
  • VFS（Virtual File System）：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。
  • 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 Block IO 接口。
  • Device Driver ：设备驱动程序，有很多种，用于管理各种硬件设备。

内核态进程

• x86 架构的 CPU 设计了 0~3 四种权限。而 Linux 只使用了最高权限 ring 0 和最低权限 ring 3 。

• 对比用户态进程、内核态进程：

  • CPU 执行内核态进程时，处于最高权限 ring 0 ，因此：
    • 有权直接控制计算机硬件。
    • 有权访问所有内存空间。
  • CPU 执行用户态进程时，处于最低权限 ring 3 ，因此：
    • 无权直接控制计算机硬件。需要调用系统接口，才能间接控制计算机硬件。
    • 只有权访问当前进程的用户内存空间，不能访问其它进程的用户内存空间，不能访问内核内存空间。

• 进程从用户态切换到内核态的过程：

  1. CPU 进行上下文切换，原本执行用户空间的代码，改为执行内核空间的代码。
  2. 等内核代码执行完毕，CPU 再次上下文切换，继续执行用户空间的代码。

• 进程从用户态切换到内核态的几种方式：

  • 进程主动调用系统接口，触发一次软中断
  • CPU 遇到异常
    • 例如遇到缺页异常时，CPU 会执行内核中的缺页异常处理程序。
  • CPU 遇到硬中断

内核线程

• Linux 开机时，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。每个内核线程拥有一个不同的 PID ，父进程为 kthreadd 。

• 对比普通线程、内核线程：

  • 用户可以调用 glibc 库函数，创建普通线程。而内核线程只能由 kthreadd 进程创建。
  • 普通线程的祖先是 init 进程，PID 为 1 。而内核线程的祖先是 kthreadd 进程，PID 为 2 。所有线程的最初祖先都是 idle 进程，PID 为 0 。
  • 普通线程默认处于用户态，可以切换到内核态。而内核线程仅处于内核态，没有虚拟内存空间。
  • 普通线程会共用所属进程的 PID 。而每个内核线程会分配一个唯一的 PID 。

• 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。

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。
  • 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。
• 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。