Linux内核与模块

1.Linux起源

Linux的诞生可以追溯到1991年，当时芬兰大学生Linus Torvalds写了一个小小的内核程序，可以在Intel386上运行，从此Linux横空出世。

在Linux发展的初期，由于其内核设计为单巨内核结构，因此需要具备较好的可扩展性和灵活性。为了解决这个问题，Linux引入了模块机制。模块本身不被编译进入内核，从而控制了内核的大小，在需要使用时动态加载到内核中。这种机制是为了弥补Linux本身作为单内核结构的缺陷，使其具备更好的可扩展性和可维护性。

随着时间的推移，Linux不断发展壮大。在Linux的老祖宗Multics项目上，贝尔实验室、MIT和GE共同开发了Unix系统。后来由于Unix被商业化，需要收费才能使用。自由软件倡导者理查德·马修·斯托曼同时也是GNU计划发起者，他认为使用专利软件是非常不道德的事，只有附带了源代码的程序才是符合其道德标准的。 1992年，Linux与其他GNU软件结合，完全自由的操作系统正式诞生。Linux之父至今，Linux已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。

因此，可以说Linux系统是基于Unix思想开发的一种开源操作系统，经过不断的发展和完善，Linux系统已经成为了世界上最受欢迎的操作系统之一。随着时间的推移，Linux内核不断发展和完善，各种版本的Linux系统相继出现，如Sun Solaris、FreeBSD、IBM AIX、HP-UX等。Linux系统也被广泛应用于各种领域，如服务器、移动设备、嵌入式系统等。同时，随着云计算、大数据等技术的兴起，Linux系统也成为了这些领域的重要基础平台之一。

2.微内核和巨内核

微内核的设计思想是将操作系统内核中的核心功能（如进程管理、内存管理、设备驱动等）作为独立进程运行，各进程间通过IPC（进程间通信）进行通讯。微内核相当于一个消息中转站，本身只提供中断处理、任务调度等功能。微内核的优点包括内核更加稳定、可靠，同时也更加灵活，可以根据需要动态加载和卸载模块，降低模块之间的耦合度，某个模块出现问题，不会影响到其他模块。然而，由于需要频繁进行进程间通信，会导致性能下降。

巨内核则将操作系统内核中的所有功能都集成在一起，形成一个庞大的内核。整个内核就是一个大的进程，其中内存管理、进程管理、网络管理等都是这个进程的模块，各个模块之间可以直接通过方法调用进行交互。巨内核的优点在于性能更高，因为不需要频繁进行进程间通信。然而，巨内核更加复杂，容易出现安全漏洞和稳定性问题。

Linux内核被设计成单巨内核（monolithic）结构，相对于微内核而言。微内核是一种功能更贴近硬件的核心软件，它一般仅仅包括基本的内存管理、同步原语、进程间通讯机制、I/O操作和中断管理，这样做有利于提高可扩展性和可移植性。但是微内核与诸如文件管理、设备驱动、虚拟内存管理、进程管理等其它上层模块之间需要有较高的通讯开销，所以目前多集中在理论教学领域，对工业应用来说，效率难以保证。

其次，Linux内核吸收了微内核的优点，如模块化设计、支持动态装载内核模块等。同时，Linux避免了微内核设计上的缺陷，让一切都运行在内核态，直接调用函数，无需消息传递。因此，Linux在保持单内核结构的同时，具有较好的可扩展性和灵活性。

3.Linux模块

在Linux发展的初期，由于其内核设计为单巨内核结构，因此需要具备较好的可扩展性和灵活性。为了解决这个问题，Linux引入了模块机制。模块本身不被编译进入内核，从而控制了内核的大小，在需要使用时动态加载到内核中。这种机制是为了弥补Linux本身作为单内核结构的缺陷，使其具备更好的可扩展性和可维护性。

模块本身是具有独立功能的程序，可以单独编译，但不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行，这与运行在用户空间的进程是不同的。模块通常由一组函数和数据结构组成，用来实现一种文件系统、一个驱动程序或其它内核上层的功能。

使用模块的优点包括使内核更加紧凑和灵活、修改内核时不必全部重新编译整个内核，可节省时间并避免人工操作的错误、模块可以不依赖于某个固定的硬件平台。但是，由于内核所占用的内存不会被换出，所以链接进内核的模块会给整个系统带来一定的性能和内存利用方面的损失。

在Linux操作系统中，内核与模块的关系体现在模块是内核向外部提供的一个接口，全称为动态可加载内核模块（Loadable Kernel Module，LKM），简称为模块。模块本身不被编译进入内核，从而控制了内核的大小，在需要使用时动态加载到内核中。这种机制是为了弥补Linux本身作为单内核结构的缺陷，使其具备更好的可扩展性和可维护性。

具体来说，内核和模块之间存在以下关系：

1.模块是具有独立功能的程序，可以单独编译，但不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行，这与运行在用户空间的进程是不同的。

2.模块通常由一组函数和数据结构组成，用来实现一种文件系统、一个驱动程序或其它内核上层的功能。

3.由于引入了模块机制，Linux的内核可以达到最小，即内核中实现一些基本功能，如从模块到内核的接口、内核管理所有模块的方式等等，而系统的可扩展性就留给模块来完成。

4.使用模块的优点包括使内核更加紧凑和灵活、修改内核时不必全部重新编译整个内核，可节省时间并避免人工操作的错误、模块可以不依赖于某个固定的硬件平台。

5.内核模块的引入也带来一定的问题，如由于内核所占用的内存不会被换出，所以链接进内核的模块会给整个系统带来一定的性能和内存利用方面的损失。

6.模块是和内核在同样的地址空间运行的，模块编程在一定意义上说也就是内核编程。但是并不是内核中所有的地方都可以使用模块，一般是在设备驱动程序、文件系统等地方使用模块，而对Linux内核中极为重要的地方，如进程管理和内存管理等，仍难以通过模块来实现，通常必须直接对内核进行修改。

综上所述，Linux内核与各模块的关系是一种动态的、可扩展的关系。通过使用模块机制，Linux内核可以在保持基本功能的同时，根据需要动态加载或卸载特定功能，从而提高系统的灵活性和可扩展性。