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title: 2025 年 Linux 核心設計課程期末展示
description: 「Linux 核心設計」課程期末展示
tags: linux2025
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# 2025 年 Linux 核心設計課程期末展示
> 6 月 28 日，藉由 YouTube 直播進行

以下是「[Linux 核心設計](https://wiki.csie.ncku.edu.tw/linux/schedule)」課程的部分專題列表，詳見[完整專題列表](https://hackmd.io/@sysprog/linux2025-projects)。

- [ ] :rocket: 上午場: 探究 Linux 核心的本質
> :clock10: 10:00 $\to$ 12:00
> [直播錄影](https://youtu.be/Ae0jVIDCycU)

* CPU 排程器之理論基礎 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/HyFtDjMfxg)
> Linux 核心的 CPU 排程器已從 CFS 切換到 EEVDF，已不只是「挑選出下個任務」，背後涉及大量的理論，特別是涉及到排程的公平性、延遲需求，還有 CPU 頻寬控制的議題
* 群組排程的考量因素和落實 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/B14go-K-xx)
> Linux v2.6.23 納入 CFS 後，隨即在 v2.6.24 引入 cgroups，並改變 CPU 排程器的考量，尤其雲端服務供應商著重的 Multi-tenant，更是其中群組排程的關鍵機制和應用場景
* sched_ext 及機器學習 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/BygEQ4dWxx)
> 繼 EEVDF 取代 CFS 後，sched_ext (scx) 出現於 Linux v6.12，允許開發者藉由 eBPF，在使用者空間動態載入或抽換 CPU 排程器，結合機器學習，依據推論動態調整排程行為
* 作業系統底層機制 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/HyIQvDYWll)
> 在 CPU 排程器得以運作前，核心有大量工作要進行，且隨著硬體的更迭，要理解的難度大幅提高，我們嘗試反璞歸真，在 32 位元 RISC-V 處理器上從無到有自幹小型作業系統核心，從而理解 Linux 核心底層的實作機制

- [ ] :rocket: 下午場: 藉由 Linux 核心解決真實世界的問題
> :clock130: 13:30 $\to$ 18:00
> [直播錄影](https://youtu.be/AI8shjBfUoE)

* 輕量級容器實作 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/H18ne9Y-gl)
> 藉由 Linux 核心提供的 namespaces, capabilities, seccomp 等機制，開發輕量級的 Linux 容器 (container)
* 輕量級隔離運行環境 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/H1mxn47-gx)
> 容器直接運行於宿主核心，因此可呼叫完整宿主 Linux 系統呼叫集合，若容器被入侵，將會暴露出大量的宿主核心攻擊面 (Attack surface)。本專案藉由 [User-mode linux](https://hackmd.io/@sysprog/user-mode-linux-env) (UML) 和系統呼叫攔截和二進位改寫機制，讓 UML 成為輕量級的隔離執行環境，在不依賴任何硬體虛擬化擴展和系統管理者權限的前提，得以高效運作
* rootkit 評估及應用 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/r1l3i4_Zge)
> 提出不依賴 kallsyms 與 kprobe 的 Linux 核心 rootkit 實作手法，達成對多種核心組態的潛伏與操控，無需仰賴符號表揭露，即可取得 ksymtab 與系統呼叫表的實體地址。本 rootkit 支援核心層級的行程隱藏、網路連線偽裝、權限提升、remote shell 建立，及核心模組的永續注入等功能，包含靜態 ELF 程式碼注入
* 位元運算與數值系統的應用 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/B13UVSQWel)
> 課程之所以強調學員須具備堅實的數學基礎，是因在各種應用場景中，數學往往扮演關鍵角色。以位元運算（bitwise operations, 簡稱 bitops）為例，其原理與多項式運算、平方根計算、指數函數等核心數學概念息息相關。本專題探討 bitops 如何結合這些數學基礎，並在 Linux 核心中實際發揮作用
* 高度並行的 Valkey 實作 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/HyqlsB7Zxe)
> Linux Foundation 於 2024 年 3 月 28 日推出 [Valkey 專案](https://valkey.io/)，基於尚未改動授權的 Redis 7.2.4 分支，並持續以 BSD 三條款發布，獲得雲端運算大廠的支持。本專案藉由 [Userspace RCU](https://liburcu.org/) 和一系列並行機制，提升 Valkey/Redis 的效能表現
* 運用核心的並行處理機制來下棋 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/SkRDH8tZxg)
> 擴充課程的[第三份作業](https://hackmd.io/@sysprog/linux2025-kxo)，實作可在 Linux 核心模組中切換多種人工智慧演算法，並同步修訂核心通訊介面以支援多使用者環境。此外，作業亦探討 lock-free 設計方法，藉此充分展現多核處理器下的任務分配與執行動態
* 異質多核通訊機制 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/ryvE2tK8C)
> 本專題在物美價廉的 [Milk-V Duo](https://milkv.io/zh/duo) 硬體上面，利用其異質多核的 RISC-V，運作 Linux 核心和 [ThreadX](https://github.com/eclipse-threadx/threadx)，並利用 [OpenAMP](https://github.com/OpenAMP/open-amp) 規範的 [RPMsg](https://github.com/nxp-mcuxpresso/rpmsg-lite)，建立異質多核間的通訊
* 電源管理休眠／回復流程 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/BJaNz05Zle)
> Linux 在行動裝置上的電源管理以系統 suspend (休眠) / Resume 為主要操作機制，核心依序執行 `suspend_enter`（同步檔案系統並暫停行程）、`prepare`（初始化省電模式), `suspend`, `suspend_late`（最後硬體關閉）與 `suspend_noirq`（關閉所有中斷）；隨後藉由 `resume_noirq`, `resume_early`, `resume`, `complete` 與 `exit`（脫離行程）逆向還原。這些階段涵蓋 DRAM 與 Flash 的電源域切換、CPU C-state、動態電壓與頻率調整（DVFS）以及裝置 D-state（如 D0–D3）的管理。這些過程涉及大量操作，且常因 I/O 排隊而延宕，本專題嘗試分析這些瓶頸，運用 Perfetto 等追蹤工具擷取系統行為的追蹤紀錄，再搭配 pm-graph 繪製電源域與行程凍結時序，觀察 I/O 活動、CPU C-state 切換與中斷響應，藉由更細緻的鎖分段或階段重疊機制，縮短整體 Suspend/Resume 時間
* 雲端檔案系統 $\to$ [開發紀錄](https://hackmd.io/@sysprog/BJH6UVXZle)
> 藉由 Linux 核心提供的 [FUSE](https://www.kernel.org/doc/html/latest/filesystems/fuse.html)，打造在使用者空間運作的檔案系統，並存取雲端儲存空間，允許使用者掛載 Linux 檔案系統並存取雲端服務