鑽進 Linux 內核看個究竟

Linux 內核，這個常常聽見，卻不不知道它具體是幹嗎的東西，是否是以爲很是神祕？

Linux 內核看不見摸不着，而對於這類東西，咱們常常無從下手。本文就以淺顯易懂的語言，帶你鑽進 Linux 內核，看它到底長啥樣。

內核是 Linux 操做系統的核心組件，它向上鏈接應用程序，向下直接與硬件打交道。其代碼主要由 C 語言及少許彙編語言寫成，而且它能夠適配多種多樣不一樣的硬件架構。

內核併發運行着一系列的進程，並管理着硬件的各類資源。具體來說，由於系統的資源有限，內核就爲各個進程分配着諸如 CPU 時間、內存空間、網絡鏈接等各方面的資源。

Linux 操做系統架構

下圖是一個典型的 Linux 操做系統架構圖。

Linux 操做系統主要分紅兩部分：

• 用戶空間
• 內核空間

1. 用戶空間

全部的用戶應用程序都是在用戶空間運行，它們不能直接訪問內存等硬件資源，而是間接經過內核來訪問。GNU C 庫（glibc）提供了從用戶空間切換至內核空間的機制。

2. 內核空間

內核直接管理着系統的 CPU、內存、輸入輸出設備、網絡設備和其它的外圍設備，它被分爲不一樣模塊來管理系統的不一樣操做，好比：文件管理，內存管理，進程管理等等。

用戶空間的應用程序能夠經過調用內核提供的 API 來訪問硬件資源。好比，對於文件操做，咱們能夠調用 open() ，read() ，write() 等接口。

內核直接管理着硬件，又與硬件相互獨立，它能夠經過簡單配置而後運行在 Intel，ARM ，Atemel 等芯片架構上。

Linux 內核主要子系統

根據內核的核心功能，Linux 內核提出了 5 個子系統，分別爲：系統調用、進程管理、內存管理、文件系統、網絡管理，以下圖示：

1. 系統調用（System Call Interface）

系統調用接口。進程調度子系統經過系統調用接口，將須要提供給用戶空間的接口開放出去，同時屏蔽掉不須要用戶空間程序關心的細節。

SCI 其實是一個很是有用的函數調用多路複用和多路分解服務。在 ./linux/kernel 中您能夠找到 SCI 的實現，並在 ./linux/arch 中找到依賴於體系結構的部分。

2. 進程管理（Process Management）

用戶空間有那麼多進程，如何讓他們有條不紊地進行着正是進程管理所要作的事。每一個進程都要使用到 CPU 資源（如 CPU ，內存），但 CPU 資源畢竟有限，不可能讓某個進程一進獨佔着資源。

所以，進程管理就充當着管理員的角色，它調度着全部的進程，當須要選擇下一進程運行時，會由調度算法來選擇最須要運行的進程。若是某個進程在等待其它硬件資源，則它就會被掛起。

所以，經過一系列的調度算法，內核儘量地公平地讓各個進程使用到 CPU 資源。

3. 內存管理（Memory Management）

內存管理主要提供對內存資源的訪問控制，以便讓各個進程能夠安全地共享機器的內存資源。它提供了物理內存與虛擬內存的一種映射關係，於是不一樣的進程可使用相同的虛擬內存，而這些相同的虛擬內存，能夠映射到不一樣的物理內存上。這個映射關係主要由 MMU 來完成。

另外，內存管理會提供虛擬內存的機制，該機制可讓進程使用多於系統可用的內存，不用的內存會經過文件系統保存在外部非易失存儲器中，須要使用的時候，再取回到內存中。

4. 虛擬文件系統（Virtual File System）

內核隱藏了不一樣功能的外部設備，例如硬盤、輸入輸出設備、顯示設備等等的具體細節，將它們抽象爲能夠經過統一的文件操做接口（open、close、read、write等）來訪問，也就是咱們所熟知的「一切皆文件」。

隨着計算機技術的發展，歷史上出現了多種文件系統，好比：FAT、FAT3二、NTFS、EXT二、EXT3 等等。爲了兼容這些文件系統，內核將它們抽象爲統一的表現形式，這就是虛擬文件系統的概念。

虛擬文件系統可分爲邏輯文件系統和設備驅動程序。邏輯文件系統指 Linux 所支持的文件系統，如ext2, fat等，設備驅動程序指爲每一種硬件控制器所編寫的設備驅動程序模塊。

5. 網絡管理（Network Stack）

網絡子系統在 Linux 內核中主要負責管理各類網絡設備，並實現各類網絡協議棧，最終實現經過網絡鏈接其它系統的功能。

網絡接口提供了對各類網絡標準協議的存取和各類網絡硬件的支持。網絡接口可分爲網絡協議和網絡驅動程序兩部分。網絡協議部分負責實現每一種可能的網絡傳輸協議，網絡設備驅動程序負責與硬件設備進行通訊，每一種可能的硬件設備都有相應的設備驅動程序。

小結

以上就是 Linux 內核的一些很基礎的知識，對於內核的學習還有很是多的內容，決不是一篇文章可以寫完的。因此，對於內核的學習，須要多看書，多看視頻，並本身動手去實踐，才能真正掌握。

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