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一、Linux内核的发展过程中的5个重要支柱
- Linux操作系统是UNIX操作系统的一种克隆系统，是一种类UNIX操作系统，诞生于1991年10月5日 （第一次正式向外公布的时间），起初的作者是Linus Torvalds
- Linux操作系统的诞生、发展和成长过程依赖着5个重要支柱：UNIX操作系统、Minix操作系统、GNU计划、POSIX标准和Internet
1.UNIX操作系统
- UNIX操作系统是美国贝尔实验室的Ken.Thompson和Dennis Ritchie于1969年夏在DEC PDP-7小型计算 机上开发的一个分时操作系统。Linux操作系统可看作UNIX操作系统的一个克隆版本
2.Minix操作系统
- Minix操作系统也是UNIX的一种克隆系统，它于1987年由著名计算机教授Andrew S.Tanenbaum开发完 成。有开放源代码的Minix系统的出现在全世界的大学中刮起了学习UNIX系统的旋风。Linux刚开始就是 参照Minix系统于1991年开发的
3.GNU计划
- GNU计划和自由软件基金会（FSF）是由Richard M.Stallman于1984年创办的，GNU是“GNU's Not UNIX”的缩写。到20世纪90年代初，GNU项目已经开发出许多高质量的免费软件，其中包括emacs编辑系统、bash shell程序、gcc系列编译程序、GDB调试程序等。这些软件为Linux操作系统的开发创造了一个合 适的环境，是Linux诞生的基础之一。没有GNU软件环境，Linux将寸步难行。因此，严格来 说， “Linux”应该称为“GNU/Linux”系统
4.POSIX标准
- POSIX（Portable Operating System Interface，可移植的操作系统接口）是由IEEE和ISO/IEC开发的一组 标准。该标准基于现有的UNIX实践和经验完成，描述了操作系统的调用服务接口，用于保证编写的应用 程序可以在源代码级上在多种操作系统中移植。该标准在推动Linux操作系统朝着正规化发展，是Linux前进的灯塔
5.互联网
- 如果没有互联网，没有遍布全世界的无数计算机骇客的无私奉献，那么Linux最多只能发展到Linux 0.13（0.95）版本的水平。从Linux 0.95版开始，对内核的许多改进和扩充均以其他人为主了，而Linus以 及其他维护者的主要任务开始变成对内核的维护和决定是否采用某个补丁程序
二、Linux内核的历史版本
内核版本的更新周期规律
- ①Linux内核通常以2~3个月为周期更新一次大的版本号，如Linux 2.6.34是在2010年5月发布的，Linux 2.6.35的发布时间则为2010年8月
- ②Linux 2.6的最后一个版本是Linux 2.6.39，之后Linux内核过渡到Linux 3.0版本，同样以2~3个月为周期更新小数点后第一位
- ③因此，内核Linux 3.x时代，Linux 3和Linux 2.6的地 位对等，因此，Linux 2.6时代的版本变更是Linux 2.6.N~2.6.N+1以2~3个月为周期递进，而Linux 3.x时代 后，则是Linux 3.N~3.N+1以2~3个月为周期递进
内核的修复与版本号的关系
- 在Linux内核版本发布后，还可以进行一个修复bug或者少量特性的反向移植（Backport，即把新版本 中才有的补丁移植到已经发布的老版本中）的工作，这样的版本以小数点后最后一位的形式发布，如 Linux 2.6.35.1、Linux 2.6.35.2、Linux 3.10.1和Linux 3.10.2等
- 此类已经发布的版本的维护版本通常是由 Greg Kroah-Hartman等人进行管理的。Greg Kroah-Hartman是名著LDD3（《Linux设备驱动（第3版）》的 作者之一
查看内核版本之间的变更信息
- 关于Linux内核每一个版本具体的变更，可以参考网页http://kernelnewbies.org/LinuxVersions，比如 Linux 3.15针对Linux 3.14的变更归纳在：https://kernelnewbies.org/Linux_3.15
- 下图显示了Linux 2.6.13以来每个内核版本参与的人、组织的情况以及每次版本演进的时候被改变的 代码行数和补丁的数量。目前每次版本升级，都有分布于200多个组织超过1000人提交代码，被改变的代 码行数超过100万行，补丁数量达1万个
三、Linux 2.6后的内核特点
- Linux 2.6内核是Linux开发者群落一个寄予厚望的版本，Linux 2.6相对于Linux 2.4有相当大的改进，主要体现在如下几个方面：
新的调度器
- Linux 2.6以后版本的Linux内核使用了新的进程调度算法，它在高负载的情况下有极其出色的性能， 并且当有很多处理器时也可以很好地扩展。在Linux内核2.6的早期采用了O（1）算法，之后转移到 CFS（Completely Fair Scheduler，完全公平调度）算法。在Linux 3.14中，也增加了一个新的调度类： SCHED_DEADLINE，它实现了EDF（Earliest Deadline First，最早截止期限优先）调度算法
内核抢占
- 在Linux 2.6以后版本的Linux内核中，一个内核任务可以被抢占，从而提高系统的实时性。这样做最主要的优势在于，可以极大地增强系统的用户交互性，用户将会觉得鼠标单击和击键的事件得到了更快速的响应。Linux 2.6以后的内核版本还是存在一些不可抢占的区间，如中断上下文、软中断上下文和自旋锁锁住的区间，如果给Linux内核打上RT-Preempt补丁，则中断和软中断都被线程化了，自旋锁也被互斥体 替换，Linux内核变得能支持硬实时
- 如下图所示，左侧是Linux 2.4，右侧是Linux 2.6以后的内核。在Linux 2.4的内核中，在IRQ1的中断 服务程序唤醒RT（实时）任务后，必须要等待前面一个Normal（普通）任务的系统调用完成，返回用户 空间的时候，RT任务才能切入；而在Linux 2.6内核中，Normal任务的关键部分（如自旋锁）结束的时 候，RT任务就从内核切入了。不过也可以看出，Linux 2.6以后的内核仍然存在中断、软中断、自旋锁等 原子上下文进程无法抢占执行的情况，这是Linux内核本身只提供软实时能力的原因
改进的线程模型
- Linux 2.6以后版本中的线程采用NPTL（Native POSIX Thread Library，本地POSIX线程库）模型，操作速度得以极大提高，相比于Linux 2.4内核时代的LinuxThreads模型，它也更加遵循POSIX规范的要求。 NPTL没有使用LinuxThreads模型中采用的管理线程，内核本身也增加了FUTEX（Fast Userspace Mutex，快 速用户态互斥体），从而减小多线程的通信开销
虚拟内存的变化
- 从虚拟内存的角度来看，新内核融合了r-map（反向映射）技术，显著改善虚拟内存在一定大小负载下的性能。在Linux 2.4中，要回收页时，内核的做法是遍历每个进程的所有PTE以判断该PTE是否与该页 建立了映射，如果建立了，则取消该映射，最后无PTE与该页相关联后才回收该页。在Linux 2.6后，则建 立反向映射，可以通过页结构体快速寻找到页面的映射
文件系统
- Linux 2.6版内核增加了对日志文件系统功能的支持，解决了Linux 2.4版本在这方面的不足。Linux 2.6 版内核在文件系统上的关键变化还包括对扩展属性及POSIX标准访问控制的支持。ext2/ext3/ext4作为大多 数Linux系统默认安装的文件系统，在Linux 2.6版内核中增加了对扩展属性的支持，可以给指定的文件在 文件系统中嵌入元数据
- 在文件系统方面，当前的研究热点是基于B树的Btrfs，Btrfs称为是下一代Linux文件系统，它在扩展 性、数据一致性、多设备管理和针对SSD的优化等方面都优于ext4
音频
- 高级Linux音频体系结构（Advanced Linux Sound Architecture，ALSA）取代了缺陷很多旧的 OSS（Open Sound System）。ALSA支持USB音频和MIDI设备，并支持全双工重放等功能
总线、设备和驱动模型
- 在Linux 2.6以后的内核中，总线、设备、驱动三者之间因为一定的联系性而实现对设备的控制。总线 是三者联系起来的基础，通过一种总线类型，将设备和驱动联系起来。总线类型中的match（）函数用来 匹配设备和驱动，当匹配操作完成之后就会执行驱动程序中的probe（）函数
电源管理
- 支持高级配置和电源接口（Advanced Configuration and Power Interface，ACPI），用于调整CPU在不同 的负载下工作于不同的时钟频率以降低功耗。目前，Linux内核的电源管理（PM）相对比较完善了，包括 CPUFreq、CPUIdle、CPU热插拔、设备运行时（runtime）PM、Linux系统挂起到内存和挂起到硬盘等全套 的支持，在ARM上的支持也较完备
联网和IPSec
- Linux 2.6内核中加入了对IPSec的支持，删除了原来内核内置的HTTP服务器khttpd，加入了对新的 NFSv4（网络文件系统）客户机/服务器的支持，并改进了对IPv6的支持
用户界面层
- Linux 2.6内核重写了帧缓冲/控制台层，人机界面层还加入了对近乎所有接口设备的支持（从触摸屏 到盲人用的设备和各种各样的鼠标）
- 在设备驱动程序方面，Linux 2.6相对于Linux 2.4也有较大的改动，这主要表现在内核API中增加了不 少新功能（例如内存池）、sysfs文件系统、内核模块从.o变为.ko、驱动模块编译方式、模块使用计数、模 块加载和卸载函数的定义等方面
Linux 3.0后ARM架构的变更
- Linus Torvalds在2011年3月17日的ARM Linux邮件列表中宣称“this whole ARM thing is a f*cking pain in the ass” ，这引发了ARM Linux社区的地震，随后ARM社区进行了一系列重大修正。社区必须改变这种局 面，于是PowerPC等其他体系结构下已经使用的FDT（Flattened Device Tree）进入到了ARM社区的视野
- 此外，ARM Linux的代码在时钟、DMA、pinmux、计时器刻度等诸多方面都进行了优化和调整，也 删除了arch/arm/mach-xxx/include/mach头文件目录，以至于Linux 3.7以后的内核可以支持多平台，即用同 一份内核镜像运行于多家SoC公司的多个芯片，实现“一个Linux可适用于所有的ARM系统”