什麼是「核心」#

廣義的作業系統 = 核心（Kernel） + 使用者空間程式（Userspace）。當我們說 “Linux”，多數時候指的其實是 GNU/Linux ── 一個 Linux 核心 + GNU 工具鏈 + 各種使用者程式組成的發行版。核心本身是一個程式：開機後常駐記憶體、擁有最高權限、負責管理硬體與調度其他程式。

從程式角度看，核心做四件事：

  1. 管理硬體：CPU 排程、記憶體配置、I/O 派發
  2. 提供抽象：把「磁碟磁區」抽象成「檔案」、把「實體 RAM」抽象成「虛擬位址空間」
  3. 隔離與保護：讓行程互不干擾、防止使用者程式直接存取硬體
  4. 提供介面：透過 syscall 給 userspace 調用

Monolithic vs Microkernel#

比較項Monolithic（如 Linux）Microkernel（如 Mach、L4、seL4）
架構所有子系統都在核心位址空間執行只把最少功能放核心，其餘做成服務
通訊函式呼叫，速度快IPC 訊息傳遞，有 context switch
穩定性一個 bug 可能拖垮整個核心服務崩潰可重啟
開發複雜需要謹慎處理鎖、邊界介面清楚但效能難調
例子Linux、FreeBSD、Windows NT 系QNX、seL4、Fuchsia Zircon

Linux 是 Monolithic，但支援可載入模組（LKM），所以在運行時可以把驅動、檔案系統等動態插入核心 ── 這常被稱為 “modular monolithic”。它不是 microkernel，模組仍與核心共享位址空間，沒有 IPC 邊界。

1992 年的 Tanenbaum-Torvalds debate 就是在爭這件事。Tanenbaum 認為 monolithic 是 80 年代的設計，Torvalds 反駁說「微核心理論上漂亮，但實務上還沒人寫出能用的」。三十多年後 Linux 統治了伺服器、手機、雲端、嵌入式 ── 這個爭議的實務答案算是揭曉了。

Linux 子系統地圖#

核心不是一坨 C 程式碼，內部有清晰的子系統劃分：

            +---------------------------------------------+
            |              System Call Interface          |
            +---------------------------------------------+
                              |
   +----------+   +----------+|+----------+   +----------+
   | Process  |   |  Memory  |||   VFS    |   | Network  |
   |  Mgmt    |   |  Mgmt    |||          |   |  Stack   |
   +----------+   +----------+|+----------+   +----------+
                              |
            +---------------------------------------------+
            |              Device Drivers                 |
            +---------------------------------------------+
                              |
            +---------------------------------------------+
            |          Architecture-dependent code        |
            +---------------------------------------------+
                              |
                          [ Hardware ]

對應到 source tree（linux/ 根目錄）：

目錄內容
arch/架構相關（x86、arm64、riscv），boot、context switch、MMU
kernel/行程、排程、訊號、時間、locking、tracing
mm/記憶體管理（buddy、slab、vmalloc、page fault、reclaim）
fs/VFS 與各檔案系統（ext4、xfs、btrfs、proc、sysfs）
net/網路協定堆疊（TCP/IP、netfilter、socket）
drivers/各種裝置驅動（占了核心一半以上的程式碼量）
include/標頭檔
init/開機流程（start_kernel() 在這）
lib/通用工具函式（rbtree、xarray、kfifo 等）
block/區塊裝置層（bio、request queue、I/O scheduler）
security/LSM（SELinux、AppArmor、Smack）
Documentation/內建文件（讀核心前建議先逛這裡）

開機流程速覽#

BIOS/UEFI
   │
   ▼
Bootloader（GRUB、systemd-boot）
   │  載入 vmlinuz + initramfs 到記憶體
   ▼
arch/<arch>/boot 啟動程式
   │  解壓 vmlinuz、設定基本環境
   ▼
start_kernel()  ──  init/main.c
   │  初始化：記憶體、排程、IRQ、檔案系統
   ▼
rest_init() → kernel_init()
   │  掛載 initramfs，執行 /init 或 /sbin/init
   ▼
PID 1（systemd / OpenRC / SysV init）
   │  啟動 userspace 服務
   ▼
       使用者登入

start_kernel() 是核心進入 C 程式碼的第一個函式，它的呼叫順序大致決定了核心的初始化階段：早期記憶體初始化 ➡️ trap/IRQ 初始化 ➡️ scheduler ➡️ timekeeping ➡️ 各子系統 init ➡️ 最終 fork 出 PID 1。

發行版（Distribution）#

「Linux 核心」是一個 git repo，但「Linux 發行版」是把核心 + GNU 工具 + 套件管理 + 預設配置打包成可安裝的作業系統。常見家族：

家族代表套件管理風格
Debian 系Debian、Ubuntu、Mintdpkg/apt穩定、保守
Red Hat 系RHEL、CentOS Stream、Fedora、Rockyrpm/dnf企業級、SELinux 預設啟用
Arch 系Arch、Manjaropacmanrolling release、極簡
SUSE 系openSUSE、SLESrpm/zypper企業向，YaST 配置工具
Embedded/IoTYocto、Buildroot、OpenWrt自訂可裁剪、用於嵌入式
容器最小化Alpine、Distrolessapk / 無musl libc、極小映像

選哪一個發行版幾乎不影響核心本身，影響的是套件版本、預設配置、init system（systemd vs OpenRC）、libc（glibc vs musl）。

核心版本與編號#

6.7.4
│ │ │
│ │ └── stable patch（bug fix）
│ └──── feature release（每 ~10 週一次）
└────── major（很少跳，2.6 → 3.0、3.19 → 4.0、4.20 → 5.0 都是因為小數點長度）

長期支援版（LTS）每年由 Greg Kroah-Hartman 從某個 x.y 版本宣告，維護 2~6 年。發行版（如 Ubuntu LTS、Debian stable）通常基於 LTS 核心。

想看自己跑的版本：uname -r。想知道核心 source 對應哪個 commit：/proc/version 或編譯時 embedded 的 LOCALVERSION。

使用者空間 vs 核心空間#

這是理解 Linux 一切的起點：

┌────────────────────────────────────────┐
│           Kernel space                 │  ← 高位址，所有行程共用
│  vmalloc / direct-map / kernel text    │     特權等級 0（x86 ring 0 / ARM EL1）
├────────────────────────────────────────┤
│           User space                   │  ← 每個行程獨立
│  stack / heap / .text / .data / mmap   │     特權等級 3（x86 ring 3 / ARM EL0）
└────────────────────────────────────────┘
                  0
  • 在 64-bit Linux，核心 + 使用者空間共用一個 48-bit 或 57-bit 虛擬位址空間（依 page table levels）
  • 使用者程式不能直接存取核心位址 ── 嘗試存取會觸發 page fault ➡️ SIGSEGV
  • 進入核心的合法門路只有三個：syscall、trap/exception、interrupt

每次 syscall 都會切換特權等級（user ➡️ kernel），這個切換不便宜（數百個 cycle），所以高效能程式會盡量批次化 syscall（如 io_uring、sendmmsg）。

接下來讀什麼#

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