簡(jiǎn)述

1. Linux內(nèi)核簡(jiǎn)稱kernel是整個(gè)操作系統(tǒng)的最底層，它負(fù)責(zé)整個(gè)硬件的驅(qū)動(dòng)，以及提供各種系統(tǒng)所需的核心功能，包括防火墻機(jī)制、是否支持LVM或Quota等文件系統(tǒng)等等，如果內(nèi)核不認(rèn)識(shí)某個(gè)最新的硬件，那么硬件也就無(wú)法被驅(qū)動(dòng)，你也就無(wú)法使用該硬件 。

2. 組成

3. 一個(gè)完整的Linux內(nèi)核一般由5部分組成，它們分別是進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、進(jìn)程間通信、虛擬文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接口 。

2. Linux內(nèi)核整體架構(gòu).png

3. Process Scheduler，也稱作進(jìn)程管理、進(jìn)程調(diào)度。負(fù)責(zé)管理CPU資源，以便讓各個(gè)進(jìn)程可以以盡量公平的方式訪問(wèn)CPU。

4. 進(jìn)程調(diào)度是Linux內(nèi)核中最重要的子系統(tǒng)，它主要提供對(duì)CPU的訪問(wèn)控制。因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)中，CPU資源是有限的，而眾多的應(yīng)用程序都要使用CPU資源，所以需要“進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)”對(duì)CPU進(jìn)行調(diào)度管理。

5. 進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)包括4個(gè)子模塊（見(jiàn)下圖），它們的功能如下：

2. 進(jìn)程調(diào)度.gif

4. 1.1) Scheduling Policy，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程調(diào)度的策略，它決定哪個(gè)（或哪幾個(gè)）進(jìn)程將擁有CPU。

5. 1.2) Architecture-specific Schedulers，體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的部分，用于將對(duì)不同CPU的控制，抽象為統(tǒng)一的接口。這些控制主要在suspend和resume進(jìn)程時(shí)使用，牽涉到CPU的寄存器訪問(wèn)、匯編指令操作等。

6. 1.3) Architecture-independent Scheduler，體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的部分。它會(huì)和“Scheduling Policy模塊”溝通，決定接下來(lái)要執(zhí)行哪個(gè)進(jìn)程，然后通過(guò)“Architecture-specific Schedulers模塊”resume指定的進(jìn)程。

7. 1.4) System Call Interface，系統(tǒng)調(diào)用接口。進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用接口，將需要提供給用戶空間的接口開(kāi)放出去，同時(shí)屏蔽掉不需要用戶空間程序關(guān)心的細(xì)節(jié)。

8. Memory Manager，內(nèi)存管理。負(fù)責(zé)管理Memory（內(nèi)存）資源，以便讓各個(gè)進(jìn)程可以安全地共享機(jī)器的內(nèi)存資源。另外，內(nèi)存管理會(huì)提供虛擬內(nèi)存的機(jī)制，該機(jī)制可以讓進(jìn)程使用多于系統(tǒng)可用Memory的內(nèi)存，暫時(shí)不用的內(nèi)存會(huì)通過(guò)文件系統(tǒng)保存在外部非易失存儲(chǔ)器中，需要使用的時(shí)候，再取回到內(nèi)存中。

9. 內(nèi)存管理主要提供對(duì)內(nèi)存資源的訪問(wèn)控制。Linux系統(tǒng)會(huì)在硬件物理內(nèi)存和進(jìn)程所使用的內(nèi)存（稱作虛擬內(nèi)存）之間建立一種映射關(guān)系，這種映射是以進(jìn)程為單位，因而不同的進(jìn)程可以使用相同的虛擬內(nèi)存，而這些相同的虛擬內(nèi)存，可以映射到不同的物理內(nèi)存上。

10. 內(nèi)存管理子系統(tǒng)包括3個(gè)子模塊（見(jiàn)下圖），它們的功能如下：

2. 內(nèi)存管理.gif

4. 2.1) Architecture Specific Managers，體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分。提供用于訪問(wèn)硬件Memory的虛擬接口。

5. 2.2) Architecture Independent Manager，體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)部分。提供所有的內(nèi)存管理機(jī)制，包括：以進(jìn)程為單位的memory mapping；虛擬內(nèi)存的Swapping。

6. 2.3) System Call Interface，系統(tǒng)調(diào)用接口。通過(guò)該接口，向用戶空間程序應(yīng)用程序提供內(nèi)存的分配、釋放，文件的map等功能。

7. VFS（Virtual File System），虛擬文件系統(tǒng)。Linux內(nèi)核將不同功能的外部設(shè)備，例如Disk設(shè)備（硬盤(pán)、磁盤(pán)、NAND Flash、Nor Flash等）、輸入輸出設(shè)備、顯示設(shè)備等等，抽象為可以通過(guò)統(tǒng)一的文件操作接口（open、close、read、write等）來(lái)訪問(wèn)。這就是Linux系統(tǒng)“一切皆是文件”的體現(xiàn) 。

8. 文件系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，就是“存儲(chǔ)和組織數(shù)據(jù)的方法”，文件系統(tǒng)的表現(xiàn)形式，就是“從某個(gè)設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)和向某個(gè)設(shè)備寫(xiě)入數(shù)據(jù)”。常見(jiàn)文件系統(tǒng)的類型 ：FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3，EXT4 。而為了兼容，操作系統(tǒng)或者內(nèi)核，要以相同的表現(xiàn)形式，同時(shí)支持多種類型的文件系統(tǒng)，這就延伸出了虛擬文件系統(tǒng)（VFS）的概念。VFS的功能就是管理各種各樣的文件系統(tǒng)，屏蔽它們的差異，以統(tǒng)一的方式，為用戶程序提供訪問(wèn)文件的接口。

9. 我們可以從磁盤(pán)、硬盤(pán)、NAND Flash等設(shè)備中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，因而最初的文件系統(tǒng)都是構(gòu)建在這些設(shè)備之上的。這個(gè)概念也可以推廣到其它的硬件設(shè)備，例如內(nèi)存、顯示器（LCD）、鍵盤(pán)、串口等等。我們對(duì)硬件設(shè)備的訪問(wèn)控制，也可以歸納為讀取或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)，因而可以用統(tǒng)一的文件操作接口訪問(wèn)。Linux內(nèi)核就是這樣做的，除了傳統(tǒng)的磁盤(pán)文件系統(tǒng)之外，它還抽象出了設(shè)備文件系統(tǒng)、內(nèi)存文件系統(tǒng)等等。這些邏輯，都是由VFS子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

10. VFS子系統(tǒng)包括6個(gè)子模塊（見(jiàn)下圖），它們的功能如下：

2. 虛擬文件系統(tǒng).gif

4. 3.1) Device Drivers，設(shè)備驅(qū)動(dòng)，用于控制所有的外部設(shè)備及控制器。由于存在大量不能相互兼容的硬件設(shè)備（特別是嵌入式產(chǎn)品），所以也有非常多的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。因此，Linux內(nèi)核中將近一半的Source Code都是設(shè)備驅(qū)動(dòng)，大多數(shù)的Linux底層工程師（特別是國(guó)內(nèi)的企業(yè)）都是在編寫(xiě)或者維護(hù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，而無(wú)暇估計(jì)其它內(nèi)容（它們恰恰是Linux內(nèi)核的精髓所在）。

5. 3.2) Device Independent Interface， 該模塊定義了描述硬件設(shè)備的統(tǒng)一方式（統(tǒng)一設(shè)備模型），所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)都遵守這個(gè)定義，可以降低開(kāi)發(fā)的難度。同時(shí)可以用一致的形勢(shì)向上提供接口。

6. 3.3) Logical Systems，每一種文件系統(tǒng)，都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)Logical System（邏輯文件系統(tǒng)），它會(huì)實(shí)現(xiàn)具體的文件系統(tǒng)邏輯。

7. 3.4) System Independent Interface，該模塊負(fù)責(zé)以統(tǒng)一的接口（快設(shè)備和字符設(shè)備）表示硬件設(shè)備和邏輯文件系統(tǒng)，這樣上層軟件就不再關(guān)心具體的硬件形態(tài)了。

8. 3.5) System Call Interface，系統(tǒng)調(diào)用接口，向用戶空間提供訪問(wèn)文件系統(tǒng)和硬件設(shè)備的統(tǒng)一的接口。

9. Network，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)多種多樣的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

10. 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)在Linux內(nèi)核中主要負(fù)責(zé)管理各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接其它系統(tǒng)的功能。在Linux內(nèi)核中，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)幾乎是自成體系，它包括5個(gè)子模塊（見(jiàn)下圖），它們的功能如下：

2. 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).gif

4. 4.1) Network Device Drivers，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，和VFS子系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)是一樣的。

5. 4.2) Device Independent Interface，和VFS子系統(tǒng)中的是一樣的。

6. 4.3) Network Protocols，實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，例如IP, TCP, UDP等等。

7. 4.4) Protocol Independent Interface，屏蔽不同的硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以相同的格式提供接口（socket)。

8. 4.5) System Call interface，系統(tǒng)調(diào)用接口，向用戶空間提供訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一的接口。

9. IPC（Inter-Process Communication），進(jìn)程間通信。IPC不管理任何的硬件，它主要負(fù)責(zé)Linux系統(tǒng)中進(jìn)程之間的通信。