Linux內(nèi)核體系簡介
1.Linux 內(nèi)核簡介
現(xiàn)在讓我們從一個比較高的高度來審視一下 GNU/Linux 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。您可以從兩個層次上來考慮操作系統(tǒng)，如圖 1 所示。
圖 1. GNU/Linux 操作系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)
最上面是用戶（或應(yīng)用程序）空間。這是用戶應(yīng)用程序執(zhí)行的地方。用戶空間之下是內(nèi)核空間，Linux 內(nèi)核正是位于這里。
GNU C Library （glibc）也在這里。它提供了連接內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用接口，還提供了在用戶空間應(yīng)用程序和內(nèi)核之間進行轉(zhuǎn)換的機制。這點非常重要，因為內(nèi)核和用戶空間的應(yīng)用程序使用的是不同的保護地址空間。每個用戶空間的進程都使用自己的虛擬地址空間，而內(nèi)核則占用單獨的地址空間。
Linux 內(nèi)核可以進一步劃分成 3 層。最上面是系統(tǒng)調(diào)用接口，它實現(xiàn)了一些基本的功能，例如 read 和 write。系統(tǒng)調(diào)用接口之下是內(nèi)核代碼，可以更精確地定義為獨立于體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)核代碼。這些代碼是 Linux 所支持的所有處理器體系結(jié)構(gòu)所通用的。在這些代碼之下是依賴于體系結(jié)構(gòu)的代碼，構(gòu)成了通常稱為 BSP（Board Support Package）的部分。這些代碼用作給定體系結(jié)構(gòu)的處理器和特定于平臺的代碼。
在Linux 內(nèi)核中，包括了
#p#進程管理（process management）
定時器（timer）
中斷管理（interrupt management）
內(nèi)存管理（memory management）
模塊管理（module management）
虛擬文件系統(tǒng)接口（VFS layer）
文件系統(tǒng)（file system）
設(shè)備驅(qū)動程序（device driver）
進程間通信（inter-process communication）
網(wǎng)絡(luò)管理（network management）
系統(tǒng)啟動（system init）等操作系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。
2.Linux 內(nèi)核的主要子系統(tǒng)
現(xiàn)在使用圖2中的分類說明 Linux 內(nèi)核的主要組件。
圖 2. Linux 內(nèi)核的一個體系結(jié)構(gòu)透視圖
內(nèi)核是什么？
內(nèi)核實際上僅僅是一個資源管理器。不管被管理的資源是進程、內(nèi)存還是硬件設(shè)備，內(nèi)核負責(zé)管理并裁定多個競爭用戶對資源的訪問（既包括內(nèi)核空間也包括用戶空間）
系統(tǒng)調(diào)用接口
SCI 層提供了某些機制執(zhí)行從用戶空間到內(nèi)核的函數(shù)調(diào)用。正如前面討論的一樣，這個接口依賴于體系結(jié)構(gòu)，甚至在相同的處理器家族內(nèi)也是如此。SCI 實際上是一個非常有用的函數(shù)調(diào)用多路復(fù)用和多路分解服務(wù)。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實現(xiàn)，并在 ./linux/arch 中找到依賴于體系結(jié)構(gòu)的部分。有關(guān)這個組件的更詳細信息可以在 參考資料 一節(jié)中找到。
進程管理
進程管理的重點是進程的執(zhí)行。在內(nèi)核中，這些進程稱為線程，代表了單獨的處理器虛擬化（線程代碼、數(shù)據(jù)、堆棧和 CPU 寄存器）。在用戶空間，通常使用進程 這個術(shù)語，不過 Linux 實現(xiàn)并沒有區(qū)分這兩個概念（進程和線程）。內(nèi)核通過 SCI 提供了一個應(yīng)用程序編程接口（API）來創(chuàng)建一個新進程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSIX] 函數(shù)），停止進程（kill、exit），并在它們之間進行通信和同步（signal 或者 POSIX 機制）。
進程管理還包括處理活動進程之間共享 CPU 的需求。內(nèi)核實現(xiàn)了一種新型的調(diào)度算法，不管有多少個線程在競爭 CPU，這種算法都可以在固定時間內(nèi)進行操作。這種算法就稱為 O(1) 調(diào)度程序，這個名字就表示它調(diào)度多個線程所使用的時間和調(diào)度一個線程所使用的時間是相同的。 O(1) 調(diào)度程序也可以支持多處理器（稱為對稱多處理器或 SMP）。您可以在 ./linux/kernel 中找到進程管理的源代碼，在 ./linux/arch 中可以找到依賴于體系結(jié)構(gòu)的源代碼。在 參考資料 一節(jié)中可以了解有關(guān)這個算法的更多內(nèi)容。
內(nèi)存管理
內(nèi)核所管理的另外一個重要資源是內(nèi)存。為了提高效率，如果由硬件管理虛擬內(nèi)存，內(nèi)存是按照所謂的內(nèi)存頁 方式進行管理的（對于大部分體系結(jié)構(gòu)來說都是 4KB）。Linux 包括了管理可用內(nèi)存的方式，以及物理和虛擬映射所使用的硬件機制。
不過內(nèi)存管理要管理的可不止 4KB 緩沖區(qū)。Linux 提供了對 4KB 緩沖區(qū)的抽象，例如 slab 分配器。這種內(nèi)存管理模式使用 4KB 緩沖區(qū)為基數(shù)，然后從中分配結(jié)構(gòu)，并跟蹤內(nèi)存頁使用情況，比如哪些內(nèi)存頁是滿的，哪些頁面沒有完全使用，哪些頁面為空。這樣就允許該模式根據(jù)系統(tǒng)需要來動態(tài)調(diào)整內(nèi)存使用。
為了支持多個用戶使用內(nèi)存，有時會出現(xiàn)可用內(nèi)存被消耗光的情況。由于這個原因，頁面可以移出內(nèi)存并放入磁盤中。這個過程稱為交換，因為頁面會被從內(nèi)存交換到硬盤上。內(nèi)存管理的源代碼可以在 ./linux/mm 中找到。
虛擬文件系統(tǒng)
虛擬文件系統(tǒng)（VFS）是 Linux 內(nèi)核中非常有用的一個方面，因為它為文件系統(tǒng)提供了一個通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和內(nèi)核所支持的文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層（請參看圖 3）。
圖 3. VFS 在用戶和文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層
在 VFS 上面，是對諸如 open、close、read 和 write 之類的函數(shù)的一個通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系統(tǒng)抽象，它定義了上層函數(shù)的實現(xiàn)方式。它們是給定文件系統(tǒng)（超過 50 個）的插件。文件系統(tǒng)的源代碼可以在 ./linux/fs 中找到。
文件系統(tǒng)層之下是緩沖區(qū)緩存，它為文件系統(tǒng)層提供了一個通用函數(shù)集（與具體文件系統(tǒng)無關(guān)）。這個緩存層通過將數(shù)據(jù)保留一段時間（或者隨即預(yù)先讀取數(shù)據(jù)以便在需要是就可用）優(yōu)化了對物理設(shè)備的訪問。緩沖區(qū)緩存之下是設(shè)備驅(qū)動程序，它實現(xiàn)了特定物理設(shè)備的接口。
網(wǎng)絡(luò)堆棧
網(wǎng)絡(luò)堆棧在設(shè)計上遵循模擬協(xié)議本身的分層體系結(jié)構(gòu)。回想一下，Internet Protocol (IP) 是傳輸協(xié)議（通常稱為傳輸控制協(xié)議或 TCP）下面的核心網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。TCP 上面是 socket 層，它是通過 SCI 進行調(diào)用的。
socket 層是網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的標準 API，它為各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了一個用戶接口。從原始幀訪問到 IP 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），再到 TCP 和 User Datagram Protocol (UDP)，socket 層提供了一種標準化的方法來管理連接，并在各個終點之間移動數(shù)據(jù)。內(nèi)核中網(wǎng)絡(luò)源代碼可以在 ./linux/net 中找到。
設(shè)備驅(qū)動程序
Linux 內(nèi)核中有大量代碼都在設(shè)備驅(qū)動程序中，它們能夠運轉(zhuǎn)特定的硬件設(shè)備。Linux 源碼樹提供了一個驅(qū)動程序子目錄，這個目錄又進一步劃分為各種支持設(shè)備，例如 Bluetooth、I2C、serial 等。設(shè)備驅(qū)動程序的代碼可以在 ./linux/drivers 中找到。
依賴體系結(jié)構(gòu)的代碼
盡管 Linux 很大程度上獨立于所運行的體系結(jié)構(gòu)，但是有些元素則必須考慮體系結(jié)構(gòu)才能正常操作并實現(xiàn)更高效率。./linux/arch 子目錄定義了內(nèi)核源代碼中依賴于體系結(jié)構(gòu)的部分，其中包含了各種特定于體系結(jié)構(gòu)的子目錄（共同組成了 BSP）。對于一個典型的桌面系統(tǒng)來說，使用的是 i386 目錄。每個體系結(jié)構(gòu)子目錄都包含了很多其他子目錄，每個子目錄都關(guān)注內(nèi)核中的一個特定方面，例如引導(dǎo)、內(nèi)核、內(nèi)存管理等。這些依賴體系結(jié)構(gòu)的代碼可以在 ./linux/arch 中找到。
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