钻进 Linux 内核看个究竟
- 2020 年 6 月 7 日
- 笔记
Linux 内核，这个经常听见，却不不知道它具体是干嘛的东西，是不是觉得非常神秘？
Linux 内核看不见摸不着，而对于这类东西，我们经常无从下手。本文就以浅显易懂的语言，带你钻进 Linux 内核，看它到底长啥样。
内核是 Linux 操作系统的核心组件，它向上连接应用程序，向下直接与硬件打交道。其代码主要由 C 语言及少量汇编语言写成，并且它可以适配多种多样不同的硬件架构。
内核并发运行着一系列的进程，并管理着硬件的各种资源。具体来讲，因为系统的资源有限，内核就为各个进程分配着诸如 CPU 时间、内存空间、网络连接等各方面的资源。
Linux 操作系统架构
下图是一个典型的 Linux 操作系统架构图。
Linux 操作系统主要分成两部分：
- 用户空间
- 内核空间
1. 用户空间
所有的用户应用程序都是在用户空间运行，它们不能直接访问内存等硬件资源，而是间接通过内核来访问。GNU C 库（glibc）提供了从用户空间切换至内核空间的机制。
2. 内核空间
内核直接管理着系统的 CPU、内存、输入输出设备、网络设备和其它的外围设备，它被分为不同模块来管理系统的不同操作，比如：文件管理，内存管理，进程管理等等。
用户空间的应用程序可以通过调用内核提供的 API 来访问硬件资源。比如，对于文件操作，我们可以调用 open() ，read() ，write() 等接口。
内核直接管理着硬件，又与硬件相互独立，它可以通过简单配置然后运行在 Intel，ARM ，Atemel 等芯片架构上。
Linux 内核主要子系统
根据内核的核心功能，Linux 内核提出了 5 个子系统，分别为：系统调用、进程管理、内存管理、文件系统、网络管理，如下图示：
1. 系统调用（System Call Interface）
系统调用接口。进程调度子系统通过系统调用接口，将需要提供给用户空间的接口开放出去，同时屏蔽掉不需要用户空间程序关心的细节。
SCI 实际上是一个非常有用的函数调用多路复用和多路分解服务。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的实现，并在 ./linux/arch 中找到依赖于体系结构的部分。
2. 进程管理（Process Management）
用户空间有那么多进程，如何让他们有条不紊地进行着正是进程管理所要做的事。每个进程都要使用到 CPU 资源（如 CPU ，内存），但 CPU 资源毕竟有限，不可能让某个进程一进独占着资源。
因此，进程管理就充当着管理员的角色，它调度着所有的进程，当需要选择下一进程运行时，会由调度算法来选择最需要运行的进程。如果某个进程在等待其它硬件资源，则它就会被挂起。
因此，通过一系列的调度算法，内核尽可能地公平地让各个进程使用到 CPU 资源。
3. 内存管理（Memory Management）
内存管理主要提供对内存资源的访问控制，以便让各个进程可以安全地共享机器的内存资源。它提供了物理内存与虚拟内存的一种映射关系，因而不同的进程可以使用相同的虚拟内存，而这些相同的虚拟内存，可以映射到不同的物理内存上。这个映射关系主要由 MMU 来完成。
另外，内存管理会提供虚拟内存的机制，该机制可以让进程使用多于系统可用的内存，不用的内存会通过文件系统保存在外部非易失存储器中，需要使用的时候，再取回到内存中。
4. 虚拟文件系统（Virtual File System）
内核隐藏了不同功能的外部设备，例如硬盘、输入输出设备、显示设备等等的具体细节，将它们抽象为可以通过统一的文件操作接口（open、close、read、write等）来访问，也就是我们所熟知的“一切皆文件”。
随着计算机技术的发展，历史上出现了多种文件系统，比如：FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3 等等。为了兼容这些文件系统，内核将它们抽象为统一的表现形式，这就是虚拟文件系统的概念。
虚拟文件系统可分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指 Linux 所支持的文件系统，如ext2, fat等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。
5. 网络管理（Network Stack）
网络子系统在 Linux 内核中主要负责管理各种网络设备，并实现各种网络协议栈，最终实现通过网络连接其它系统的功能。
网络接口提供了对各种网络标准协议的存取和各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序两部分。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议，网络设备驱动程序负责与硬件设备进行通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。
小结
以上就是 Linux 内核的一些很基础的知识，对于内核的学习还有非常多的内容，决不是一篇文章能够写完的。所以，对于内核的学习，需要多看书，多看视频，并自己动手去实践，才能真正掌握。
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