钻进 Linux 内核看个究竟

Linux 内核，这个常常听见，却不不知道它具体是干吗的东西，是否是以为很是神秘？

Linux 内核看不见摸不着，而对于这类东西，咱们常常无从下手。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 操做系统的核心组件，它向上链接应用程序，向下直接与硬件打交道。其代码主要由 C 语言及少许汇编语言写成，而且它能够适配多种多样不一样的硬件架构。

内核并发运行着一系列的进程，并管理着硬件的各类资源。具体来说，由于系统的资源有限，内核就为各个进程分配着诸如 CPU 时间、内存空间、网络链接等各方面的资源。

Linux 操做系统架构

下图是一个典型的 Linux 操做系统架构图。

Linux 操做系统主要分红两部分：

• 用户空间
• 内核空间

1. 用户空间

全部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，而是间接经过内核来访问。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，它被分为不一样模块来管理系统的不一样操做，好比：文件管理，内存管理，进程管理等等。

用户空间的应用程序能够经过调用内核提供的 API 来访问硬件资源。好比，对于文件操做，咱们能够调用 open() ，read() ，write() 等接口。

内核直接管理着硬件，又与硬件相互独立，它能够经过简单配置而后运行在 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，以下图示：

1. 系统调用（System Call Interface）

系统调用接口。进程调度子系统经过系统调用接口，将须要提供给用户空间的接口开放出去，同时屏蔽掉不须要用户空间程序关心的细节。

SCI 其实是一个很是有用的函数调用多路复用和多路分解服务。在 ./linux/kernel 中您能够找到 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作的事。每一个进程都要使用到 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。

所以，进程管理就充当着管理员的角色，它调度着全部的进程，当须要选择下一进程运行时，会由调度算法来选择最须要运行的进程。若是某个进程在等待其它硬件资源，则它就会被挂起。

所以，经过一系列的调度算法，内核尽量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，以便让各个进程能够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，于是不一样的进程可使用相同的虚拟内存，而这些相同的虚拟内存，能够映射到不一样的物理内存上。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，该机制可让进程使用多于系统可用的内存，不用的内存会经过文件系统保存在外部非易失存储器中，须要使用的时候，再取回到内存中。

4. 虚拟文件系统（Virtual File System）

内核隐藏了不一样功能的外部设备，例如硬盘、输入输出设备、显示设备等等的具体细节，将它们抽象为能够经过统一的文件操做接口（open、close、read、write等）来访问，也就是咱们所熟知的「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，好比：FAT、FAT3二、NTFS、EXT二、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类网络设备，并实现各类网络协议栈，最终实现经过网络链接其它系统的功能。

网络接口提供了对各类网络标准协议的存取和各类网络硬件的支持。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讯，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很是多的内容，决不是一篇文章可以写完的。因此，对于内核的学习，须要多看书，多看视频，并本身动手去实践，才能真正掌握。

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