Kernel开发体系与性能优化逻辑

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Kernel开发导论

什么是Kernel？Kernel在操作系统中的角色与地位。

Kernel开发环境搭建

交叉编译工具链、QEMU模拟器、GDB调试器配置。

工具链调试

Kernel源码结构解析

arch、drivers、fs、include、kernel等核心目录功能。

Kernel编译系统

Kconfig、Makefile、Kbuild的工作原理与编写方法。

Kernel启动流程

从BIOS/UEFI到start_kernel的完整链路。

内存管理基础

物理内存管理、页表、伙伴系统与slab分配器。

进程管理核心

task_struct结构、进程创建与调度、CFS调度器。

中断与异常处理

中断向量表、中断控制器、上半部与下半部机制。

系统调用实现

syscall表、参数传递、用户态与内核态切换。

系统调用接口

同步与互斥

自旋锁、互斥锁、读写锁、RCU机制。

文件系统抽象

VFS层、inode与dentry、文件操作函数指针。

文件系统VFS

块设备I/O栈

bio结构、请求队列、I/O调度器（CFQ、Deadline、NOOP）。

网络协议栈

sk_buff结构、协议分层、Netfilter钩子。

网络协议栈

设备驱动模型

platform总线、设备树、probe与remove流程。

驱动设备模型

字符设备驱动

cdev结构、file_operations、ioctl实现。

字符设备驱动

内核模块开发

module_init/module_exit、参数传递、依赖管理。

模块可加载

内核调试技术

printk、ftrace、perf、kprobe与uprobe。

性能分析基础

CPU利用率、上下文切换、中断频率、缓存命中率。

内核热路径优化

分支预测、内联函数、likely/unlikely宏。

优化热路径

内存性能优化

大页（HugeTLB）、内存回收策略、NUMA亲和性。

锁竞争优化

锁粒度细化、读写分离、无锁数据结构（RCU、原子操作）。

I/O性能优化

异步I/O、io_uring、直接I/O与缓冲I/O选择。

网络性能优化

NAPI、RSS/RPS、XDP、零拷贝技术。

网络零拷贝

调度延迟优化

RT调度器、SCHED_DEADLINE、CPU隔离（isolcpus）。

内核编译优化

LTO、CFI、内核配置裁剪、模块化与静态编译权衡。

实时内核（RT-Preempt）

原理、配置、性能权衡。

容器与虚拟化内核特性

cgroups、namespace、KVM性能优化。

容器虚拟化

内核安全机制

SELinux、AppArmor、KASLR、CFI。

内核性能调优案例

数据库场景、网络网关场景、嵌入式场景。

Kernel开发趋势

Rust for Linux、eBPF、可观测性、AI辅助内核开发。