Linux內核結構

1.5.3 Linux內核的抽象結構

Linux內核由5個 主要的子系統組成：如圖1.2

圖1.2  Linux內核子系統及其之間的關係

1.進程調度(SCHED)控制着進程對CPU的訪問。當須要選擇下一個進程運行時，由調度程序選擇最值得運行的進程。可運行進程實際是僅等待 CPU 資源的進程，若是某個進程在等待其餘資源，則該進程是不可運行進程。Linux 使用了比較簡單的基於優先級的進程調度算法選擇新的進程。

  2.內存管理(MM)容許多個進程安全地共享主內存區域 。Linux的內存管理支持虛擬內存，即在計算機中運行的程序，其代碼、數據和堆棧的總量能夠超過實際內存的大小，操做系統只將當前使用的程序塊保留在內存中，其他的程序塊則保留在磁盤上。必要時，操做系統負責在磁盤和內存之間交換程序塊。

內存管理從邏輯上能夠分爲硬件無關的部分和硬件相關的部分。硬件無關的部分提供了進程的映射和虛擬內存的對換；硬件相關的部分爲內存管理硬件提供了虛擬接口。

3. 虛擬文件系統(VirtulFile System VFS)隱藏了各類不一樣硬件的具體細節，爲全部設備提供了統一的接口，VFS還支持多達數十種不一樣的文件系統，這也是Linux較有特點的一部分。

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。

4.網絡接口(NET)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。

5. 進程間通訊(IPC)支持進程間各類通訊機制。

從圖1.2能夠看出，處於中心位置的是進程調度，全部其它的子系統都依賴於它，由於每一個子系統都須要掛起或恢復進程。通常狀況下，當一個進程等待硬件操做完成時，它被掛起；當操做真正完成時，進程被恢復執行。例如，當一個進程經過網絡發送一條消息時，網絡接口須要掛起發送進程，直到硬件成功地完成消息的發送，當消息被髮送出去之後，網絡接口給進程返回一個代碼，表示操做的成功或失敗。其它子系統(內存管理，虛擬文件系統及進程間通訊)以類似的理由依賴於進程調度。

 各個子系統之間的依賴關係以下：

· 進程調度與內存管理之間的關係：這兩個子系統互相依賴。在多道程序環境下，程序要運行必須爲之建立進程，而建立進程的第一件事，就是要將程序和數據裝入內存。

· 進程間通訊與內存管理的關係：進程間通訊子系統要依賴內存管理支持共享內存通訊機制，這種機制容許兩個進程除了擁有本身的私有內存，還可存取共同的內存區域。

·虛擬文件系統與網絡接口之間的關係：虛擬文件系統利用網絡接口支持網絡文件系統(NFS)，也利用內存管理支持RAMDISK 設備。

· 內存管理與虛擬文件系統之間的關係： 內存管理利用虛擬文件系統支持交換，交換進程(swapd)按期地由調度程序調度，這也是內存管理依賴於進程調度的惟一緣由。當一個進程存取的內存映射被換出時，內存管理向文件系統發出請求，同時，掛起當前正在運行的進程。

除了圖1.2所顯示的依賴關係之外，內核中的全部子系統還要依賴一些共同的資源，但在圖中並無顯示出來。這些資源包括全部子系統都用到的過程，例如，分配和釋放內存空間的過程，打印警告或錯誤信息的過程，還有系統的調試例程等等。

1.6 Linux內核源代碼

1.6.1 多版本的內核源代碼

     對不一樣的內核版本，系統調用通常是相同的。新版本也許能夠增長一個新的系統調用，但舊的系統調用將依然不變，這對於保持向後兼容是很是必要的—一個新的內核版本不能打破常規的過程。在大多數狀況下，設備文件將仍然相同，而另外一方面，版本之間的內部接口有所變化。

     Linux內核源代碼有一個簡單的數字系統，任何偶數內核(如2.0.30)是一個穩定的版本，而奇數內核(如2.1.42)是正在發展中的內核。這本書是基於穩定的2.4.16 源代碼樹。發展中的內核老是有最新的特色，支持最新的設備，儘管它們還不穩定，也不是你所想要的，但它們是發展最新而又穩定的內核的基礎。

     目前，較新而又穩定的內核版本是2.2.x和2.4.x，由於版本之間稍有差異，所以，若是你想讓一個新驅動程序模塊既支持2.2.x，也支持2.4.x，就須要根據內核版本對模塊進行條件編譯。

     對內核源代碼的修改是以補丁文件的形式發佈的。patch實用程序用來對內核源文件進行一系列的修訂，例如，若是你有2.4.9內核源代碼，而你想移到2.4.16，你能夠得到2.4.16的補丁文件，應用patch來修訂2.4.9源文件。例如：

$ cd/usr/src/linux

$ patch-p1 < patch-2.4.16

 

1.6.2  Linux內核源代碼的結構

     Linux內核源代碼位於/usr/src/linux目錄下，其結構分佈如圖1.3所示，每個目錄或子目錄能夠看做一個模塊，其目錄之間的連線表示「子目錄或子模塊」的關係。下面是對每個目錄的簡單描述。

       include/子目錄包含了創建內核代碼時所需的大部分包含文件，這個模塊利用其它模塊重建內核。

      init/ 子目錄包含了內核的初始化代碼，這是內核開始工做的起點。

     arch/子目錄包含了全部硬件結構特定的內核代碼，如圖1.3，arch/ 子目錄下有i386和alpha模塊等等。

     drivers/ 目錄包含了內核中全部的設備驅動程序，如塊設備，scsi 設備驅動程序等等。

     fs/ 目錄包含了全部文件系統的代碼，如：ext2, vfat模塊的代碼等等。  

     net/ 目錄包含了內核的連網代碼。

     mm/ 目錄包含了全部的內存管理代碼。

     ipc/ 目錄包含了進程間通訊的代碼。

     kernel/  目錄包含了主內核代碼        

     圖1.3顯示了八個目錄，即 init, kernel, mm, ipc, drivers, fs, arch 及net 的包含文件都在"include/" 目錄下。在Linux內核中包含了  drivers, fs,arch及 net 模塊，這就使得Linux內核既不是一個層次式結構，也不是一個微內核結構，而是一個「總體式」結構。由於系統調用能夠直接調用內核層，所以，該結構使得整個系統具備較高的性能，其缺點是內核修改起來比較困難，除非遵循嚴格的規則和編碼標準。  

      在圖1.3中所顯示的模塊結構，表明了一種工做分配單元，利用這種結構，咱們指望Linus Torvalds能維護和加強內核的核心服務，即，init/,kernel/, mm/及 ipc/，其它的模塊drivers, fs, arch及net也能夠做爲工做單元，例如，能夠分配一組人對塊文件系統進行維護和進一步的開發，而另外一組人對scsi文件系統進行完善。圖1.3相似於Linux的自願者開發隊伍一塊兒工做來加強和擴展整個系統的框架。

圖1.3 Linux源代碼的分佈結構