如何解析Linux系統(tǒng)架構(gòu)中的內(nèi)核

如何解析Linux系統(tǒng)架構(gòu)中的內(nèi)核，相信很多沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的人對(duì)此束手無(wú)策，為此本文總結(jié)了問(wèn)題出現(xiàn)的原因和解決方法，通過(guò)這篇文章希望你能解決這個(gè)問(wèn)題。

概述

Linux系統(tǒng)一般有4個(gè)主要部分組成，內(nèi)核、shell、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序。內(nèi)核、shell和文件系統(tǒng)一起形成了基本的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它們使得用戶可以運(yùn)行程序、管理文件并使用系統(tǒng)。因?yàn)閮?nèi)容比較多，所以這里單獨(dú)挑內(nèi)核這個(gè)分類做一下簡(jiǎn)單介紹。

01.linux內(nèi)核

內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心，具有很多最基本功能，它負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

Linux 內(nèi)核由如下幾部分組成：內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理等。

系統(tǒng)調(diào)用接口：SCI 層提供了某些機(jī)制執(zhí)行從用戶空間到內(nèi)核的函數(shù)調(diào)用。這個(gè)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(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。

02.內(nèi)存管理

對(duì)任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)而言，其內(nèi)存以及其它資源都是有限的。為了讓有限的物理內(nèi)存滿足應(yīng)用程序?qū)?nèi)存的大需求量，Linux  采用了稱為“虛擬內(nèi)存”的內(nèi)存管理方式。Linux 將內(nèi)存劃分為容易處理的“內(nèi)存頁(yè)”(對(duì)于大部分體系結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)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(jī)制。

不過(guò)內(nèi)存管理要管理的可不止 4KB 緩沖區(qū)。Linux 提供了對(duì) 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(yè)使用情況，比如哪些內(nèi)存頁(yè)是滿的，哪些頁(yè)面沒(méi)有完全使用，哪些頁(yè)面為空。這樣就允許該模式根據(jù)系統(tǒng)需要來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)存使用。

為了支持多個(gè)用戶使用內(nèi)存，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)可用內(nèi)存被消耗光的情況。由于這個(gè)原因，頁(yè)面可以移出內(nèi)存并放入磁盤中。這個(gè)過(guò)程稱為交換，因?yàn)轫?yè)面會(huì)被從內(nèi)存交換到硬盤上。

03.進(jìn)程管理

進(jìn)程實(shí)際是某特定應(yīng)用程序的一個(gè)運(yùn)行實(shí)體。在 Linux 系統(tǒng)中，能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，Linux  通過(guò)在短的時(shí)間間隔內(nèi)輪流運(yùn)行這些進(jìn)程而實(shí)現(xiàn)“多任務(wù)”。這一短的時(shí)間間隔稱為“時(shí)間片”，讓進(jìn)程輪流運(yùn)行的方法稱為“進(jìn)程調(diào)度”  ，完成調(diào)度的程序稱為調(diào)度程序。

進(jìn)程調(diào)度控制進(jìn)程對(duì)CPU的訪問(wèn)。當(dāng)需要選擇下一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，由調(diào)度程序選擇最值得運(yùn)行的進(jìn)程。可運(yùn)行進(jìn)程實(shí)際上是僅等待CPU資源的進(jìn)程，如果某個(gè)進(jìn)程在等待其它資源，則該進(jìn)程是不可運(yùn)行進(jìn)程。Linux使用了比較簡(jiǎn)單的基于優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程調(diào)度算法選擇新的進(jìn)程。

通過(guò)多任務(wù)機(jī)制，每個(gè)進(jìn)程可認(rèn)為只有自己獨(dú)占計(jì)算機(jī)，從而簡(jiǎn)化程序的編寫。每個(gè)進(jìn)程有自己?jiǎn)为?dú)的地址空間，并且只能由這一進(jìn)程訪問(wèn)，這樣，操作系統(tǒng)避免了進(jìn)程之間的互相干擾以及“壞”程序?qū)ο到y(tǒng)可能造成的危害。  為了完成某特定任務(wù)，有時(shí)需要綜合兩個(gè)程序的功能，例如一個(gè)程序輸出文本，而另一個(gè)程序?qū)ξ谋具M(jìn)行排序。為此，操作系統(tǒng)還提供進(jìn)程間的通訊機(jī)制來(lái)幫助完成這樣的任務(wù)。Linux  中常見的進(jìn)程間通訊機(jī)制有信號(hào)、管道、共享內(nèi)存、信號(hào)量和套接字等。

內(nèi)核通過(guò) SCI 提供了一個(gè)應(yīng)用程序編程接口(API)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程(fork、exec 或 Portable Operating System  Interface [POSⅨ] 函數(shù))，停止進(jìn)程(kill、exit)，并在它們之間進(jìn)行通信和同步(signal 或者 POSⅨ 機(jī)制)。

04.文件系統(tǒng)

Linux 操作系統(tǒng)中單獨(dú)的文件系統(tǒng)并不是由驅(qū)動(dòng)器號(hào)或驅(qū)動(dòng)器名稱(如 A: 或 C: 等)來(lái)標(biāo)識(shí)的。相反，和 UNIX 操作系統(tǒng)一樣，Linux  操作系統(tǒng)將獨(dú)立的文件系統(tǒng)組合成了一個(gè)層次化的樹形結(jié)構(gòu)，并且由一個(gè)單獨(dú)的實(shí)體代表這一文件系統(tǒng)。

Linux 操作系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是它支持許多不同類型的文件系統(tǒng)。Linux 目前最普遍使用的文件系統(tǒng)是 Ext4，它也是 Linux  土生土長(zhǎng)的文件系統(tǒng)。但 Linux 也能夠支持 FAT、VFAT、FAT32、MINIX 等不同類型的文件系統(tǒng)，從而可以方便地和其它操作系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。由于  Linux 支持許多不同的文件系統(tǒng)，并且將它們組織成了一個(gè)統(tǒng)一的虛擬文件系統(tǒng).

虛擬文件系統(tǒng)(VirtualFileSystem,VFS):隱藏了各種硬件的具體細(xì)節(jié)，把文件系統(tǒng)操作和不同文件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)分離了開來(lái)，為所有的設(shè)備提供了統(tǒng)一的接口，VFS提供了多達(dá)數(shù)十種不同的文件系統(tǒng)。虛擬文件系統(tǒng)可以分為邏輯文件系統(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ext4,fat等，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序指為每一種硬件控制器所編寫的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊。

虛擬文件系統(tǒng)(VFS)是 Linux 內(nèi)核中非常有用的一個(gè)方面，因?yàn)樗鼮槲募到y(tǒng)提供了一個(gè)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(gè)交換層。即VFS 在用戶和文件系統(tǒng)之間提供了一個(gè)交換層。

VFS 在用戶和文件系統(tǒng)之間提供了一個(gè)交換層:

在 VFS 上面，是對(duì)諸如 open、close、read 和 write 之類的函數(shù)的一個(gè)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(shí)現(xiàn)方式。它們是給定文件系統(tǒng)(超過(guò) 50 個(gè))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(gè)通用函數(shù)集(與具體文件系統(tǒng)無(wú)關(guān))。這個(gè)緩存層通過(guò)將數(shù)據(jù)保留一段時(shí)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(duì)物理設(shè)備的訪問(wèn)。緩沖區(qū)緩存之下是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它實(shí)現(xiàn)了特定物理設(shè)備的接口。

因此，用戶和進(jìn)程不需要知道文件所在的文件系統(tǒng)類型，而只需要象使用 Ext4 文件系統(tǒng)中的文件一樣使用它們。

05.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是 Linux  內(nèi)核的主要部分。和操作系統(tǒng)的其它部分類似，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在高特權(quán)級(jí)的處理器環(huán)境中，從而可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，但正因?yàn)槿绱?，任何一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致操作系統(tǒng)的崩潰。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H控制操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備之間的交互。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供一組操作系統(tǒng)可理解的抽象接口完成和操作系統(tǒng)之間的交互，而與硬件相關(guān)的具體操作細(xì)節(jié)由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成。

一般而言，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備的控制芯片有關(guān)，例如，如果計(jì)算機(jī)硬盤是 SCSI 硬盤，則需要使用 SCSI 驅(qū)動(dòng)程序，而不是 IDE 驅(qū)動(dòng)程序。

06.網(wǎng)絡(luò)接口(NET)

提供了對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)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。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。

眾所周知，TCP/IP 協(xié)議是 Internet 的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，同時(shí)也是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Linux 的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)支持 BSD  套接字，支持全部的TCP/IP協(xié)議。Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)部分由BSD套接字、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序組成。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與硬件設(shè)備通訊，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。

看完上述內(nèi)容，你們掌握如何解析Linux系統(tǒng)架構(gòu)中的內(nèi)核的方法了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或想了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝各位的閱讀！