Linux內核是怎么樣的

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Linux 內核，這個經常聽見，卻不不知道它具體是干嘛的東西，是不是覺得非常神秘?

Linux 內核看不見摸不著，而對于這類東西，我們經常無從下手。本文就以淺顯易懂的語言，帶你鉆進 Linux 內核，看它到底長啥樣。

內核是 Linux 操作系統的核心組件，它向上連接應用程序，向下直接與硬件打交道。其代碼主要由 C  語言及少量匯編語言寫成，并且它可以適配多種多樣不同的硬件架構。

內核并發運行著一系列的進程，并管理著硬件的各種資源。具體來講，因為系統的資源有限，內核就為各個進程分配著諸如 CPU  時間、內存空間、網絡連接等各方面的資源。

Linux 操作系統架構

下圖是一個典型的 Linux 操作系統架構圖。

Linux 操作系統主要分成兩部分：

• 用戶空間

• 內核空間

1. 用戶空間

所有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，而是間接通過內核來訪問。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

內核直接管理著系統的  CPU、內存、輸入輸出設備、網絡設備和其它的外圍設備，它被分為不同模塊來管理系統的不同操作，比如：文件管理，內存管理，進程管理等等。

用戶空間的應用程序可以通過調用內核提供的 API 來訪問硬件資源。比如，對于文件操作，我們可以調用 open() ，read() ，write()  等接口。

內核直接管理著硬件，又與硬件相互獨立，它可以通過簡單配置然后運行在 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，分別為：系統調用、進程管理、內存管理、文件系統、網絡管理，如下圖示：

1. 系統調用(System Call Interface)

系統調用接口。進程調度子系統通過系統調用接口，將需要提供給用戶空間的接口開放出去，同時屏蔽掉不需要用戶空間程序關心的細節。

SCI 實際上是一個非常有用的函數調用多路復用和多路分解服務。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實現，并在  ./linux/arch 中找到依賴于體系結構的部分。

2. 進程管理(Process Management)

用戶空間有那么多進程，如何讓他們有條不紊地進行著正是進程管理所要做的事。每個進程都要使用到 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占著資源。

因此，進程管理就充當著管理員的角色，它調度著所有的進程，當需要選擇下一進程運行時，會由調度算法來選擇最需要運行的進程。如果某個進程在等待其它硬件資源，則它就會被掛起。

因此，通過一系列的調度算法，內核盡可能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，以便讓各個進程可以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系，因而不同的進程可以使用相同的虛擬內存，而這些相同的虛擬內存，可以映射到不同的物理內存上。這個映射關系主要由  MMU 來完成。

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

4. 虛擬文件系統(Virtual File System)

內核隱藏了不同功能的外部設備，例如硬盤、輸入輸出設備、顯示設備等等的具體細節，將它們抽象為可以通過統一的文件操作接口(open、close、read、write等)來訪問，也就是我們所熟知的「一切皆文件」。

隨著計算機技術的發展，歷史上出現了多種文件系統，比如：FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3  等等。為了兼容這些文件系統，內核將它們抽象為統一的表現形式，這就是虛擬文件系統的概念。

虛擬文件系統可分為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，設備驅動程序指為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種網絡設備，并實現各種網絡協議棧，最終實現通過網絡連接其它系統的功能。

網絡接口提供了對各種網絡標準協議的存取和各種網絡硬件的支持。網絡接口可分為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信，每一種可能的硬件設備都有相應的設備驅動程序。

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