Linux內(nèi)核是怎么樣的

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)Linux內(nèi)核是怎么樣的，小編覺(jué)得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

Linux 內(nèi)核，這個(gè)經(jīng)常聽(tīng)見(jiàn)，卻不不知道它具體是干嘛的東西，是不是覺(jué)得非常神秘?

Linux 內(nèi)核看不見(jiàn)摸不著，而對(duì)于這類東西，我們經(jīng)常無(wú)從下手。本文就以淺顯易懂的語(yǔ)言，帶你鉆進(jìn) Linux 內(nèi)核，看它到底長(zhǎng)啥樣。

內(nèi)核是 Linux 操作系統(tǒng)的核心組件，它向上連接應(yīng)用程序，向下直接與硬件打交道。其代碼主要由 C  語(yǔ)言及少量匯編語(yǔ)言寫(xiě)成，并且它可以適配多種多樣不同的硬件架構(gòu)。

內(nèi)核并發(fā)運(yùn)行著一系列的進(jìn)程，并管理著硬件的各種資源。具體來(lái)講，因?yàn)橄到y(tǒng)的資源有限，內(nèi)核就為各個(gè)進(jìn)程分配著諸如 CPU  時(shí)間、內(nèi)存空間、網(wǎng)絡(luò)連接等各方面的資源。

Linux 操作系統(tǒng)架構(gòu)

下圖是一個(gè)典型的 Linux 操作系統(tǒng)架構(gòu)圖。

Linux 操作系統(tǒng)主要分成兩部分：

• 用戶空間

• 內(nèi)核空間

1. 用戶空間

所有的用戶應(yīng)用程序都是在用戶空間運(yùn)行，它們不能直接訪問(wèn)內(nèi)存等硬件資源，而是間接通過(guò)內(nèi)核來(lái)訪問(wèn)。GNU C  庫(kù)(glibc)提供了從用戶空間切換至內(nèi)核空間的機(jī)制。

2. 內(nèi)核空間

內(nèi)核直接管理著系統(tǒng)的  CPU、內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和其它的外圍設(shè)備，它被分為不同模塊來(lái)管理系統(tǒng)的不同操作，比如：文件管理，內(nèi)存管理，進(jìn)程管理等等。

用戶空間的應(yīng)用程序可以通過(guò)調(diào)用內(nèi)核提供的 API 來(lái)訪問(wèn)硬件資源。比如，對(duì)于文件操作，我們可以調(diào)用 open() ，read() ，write()  等接口。

內(nèi)核直接管理著硬件，又與硬件相互獨(dú)立，它可以通過(guò)簡(jiǎn)單配置然后運(yùn)行在 Intel，ARM ，Atemel 等芯片架構(gòu)上。

Linux 內(nèi)核主要子系統(tǒng)

根據(jù)內(nèi)核的核心功能，Linux 內(nèi)核提出了 5 個(gè)子系統(tǒng)，分別為：系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理，如下圖示：

1. 系統(tǒng)調(diào)用(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)。

SCI 實(shí)際上是一個(gè)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(shí)現(xiàn)，并在  ./linux/arch 中找到依賴于體系結(jié)構(gòu)的部分。

2. 進(jìn)程管理(Process Management)

用戶空間有那么多進(jìn)程，如何讓他們有條不紊地進(jìn)行著正是進(jìn)程管理所要做的事。每個(gè)進(jìn)程都要使用到 CPU 資源(如 CPU ，內(nèi)存)，但 CPU  資源畢竟有限，不可能讓某個(gè)進(jìn)程一進(jìn)獨(dú)占著資源。

因此，進(jìn)程管理就充當(dāng)著管理員的角色，它調(diào)度著所有的進(jìn)程，當(dāng)需要選擇下一進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，會(huì)由調(diào)度算法來(lái)選擇最需要運(yùn)行的進(jìn)程。如果某個(gè)進(jìn)程在等待其它硬件資源，則它就會(huì)被掛起。

因此，通過(guò)一系列的調(diào)度算法，內(nèi)核盡可能地公平地讓各個(gè)進(jìn)程使用到 CPU 資源。

3. 內(nèi)存管理(Memory Management)

內(nèi)存管理主要提供對(duì)內(nèi)存資源的訪問(wèn)控制，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。它提供了物理內(nèi)存與虛擬內(nèi)存的一種映射關(guān)系，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。這個(gè)映射關(guān)系主要由  MMU 來(lái)完成。

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)可用的內(nèi)存，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。

4. 虛擬文件系統(tǒng)(Virtual File System)

內(nèi)核隱藏了不同功能的外部設(shè)備，例如硬盤(pán)、輸入輸出設(shè)備、顯示設(shè)備等等的具體細(xì)節(jié)，將它們抽象為可以通過(guò)統(tǒng)一的文件操作接口(open、close、read、write等)來(lái)訪問(wèn)，也就是我們所熟知的「一切皆文件」。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，歷史上出現(xiàn)了多種文件系統(tǒng)，比如：FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3  等等。為了兼容這些文件系統(tǒng)，內(nèi)核將它們抽象為統(tǒng)一的表現(xiàn)形式，這就是虛擬文件系統(tǒng)的概念。

虛擬文件系統(tǒng)可分為邏輯文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。邏輯文件系統(tǒng)指 Linux 所支持的文件系統(tǒng)，如ext2,  fat等，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序指為每一種硬件控制器所編寫(xiě)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊。

5. 網(wǎng)絡(luò)管理(Network Stack)

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。

網(wǎng)絡(luò)接口提供了對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的存取和各種網(wǎng)絡(luò)硬件的支持。網(wǎng)絡(luò)接口可分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序兩部分。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與硬件設(shè)備進(jìn)行通信，每一種可能的硬件設(shè)備都有相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

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