Linux内核的构成,Linux内核学习路线知识点总结以及视频

  1. 简述
    Linux内核简称kernel是整个操作系统的最底层,它负责整个硬件的驱动,以及提供各种系统所需的核心功能,包括防火墙机制、是否支持LVM或Quota等文件系统等等,如果内核不认识某个最新的硬件,那么硬件也就无法被驱动,你也就无法使用该硬件 。
  2. 组成
    一个完整的Linux内核一般由5部分组成,它们分别是进程管理、内存管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络接口 。

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  1. Process Scheduler,也称作进程管理、进程调度。负责管理CPU资源,以便让各个进程可以以尽量公平的方式访问CPU。
    进程调度是Linux内核中最重要的子系统,它主要提供对CPU的访问控制。因为在计算机中,CPU资源是有限的,而众多的应用程序都要使用CPU资源,所以需要“进程调度子系统”对CPU进行调度管理。
    进程调度子系统包括4个子模块(见下图),它们的功能如下:

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1.1) Scheduling Policy,实现进程调度的策略,它决定哪个(或哪几个)进程将拥有CPU。
1.2) Architecture-specific Schedulers,体系结构相关的部分,用于将对不同CPU的控制,抽象为统一的接口。这些控制主要在suspend和resume进程时使用,牵涉到CPU的寄存器访问、汇编指令操作等。
1.3) Architecture-independent Scheduler,体系结构无关的部分。它会和“Scheduling Policy模块”沟通,决定接下来要执行哪个进程,然后通过“Architecture-specific Schedulers模块”resume指定的进程。
1.4) 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。

  1. Memory Manager,内存管理。负责管理Memory(内存)资源,以便让各个进程可以安全地共享机器的内存资源。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Memory的内存,暂时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。
    内存管理主要提供对内存资源的访问控制。Linux系统会在硬件物理内存和进程所使用的内存(称作虚拟内存)之间建立一种映射关系,这种映射是以进程为单位,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。
    内存管理子系统包括3个子模块(见下图),它们的功能如下:

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2.1) Architecture Specific Managers,体系结构相关部分。提供用于访问硬件Memory的虚拟接口。
2.2) Architecture Independent Manager,体系结构无关部分。提供所有的内存管理机制,包括:以进程为单位的memory mapping;虚拟内存的Swapping。
2.3) System Call Interface,系统调用接口。通过该接口,向用户空间程序应用程序提供内存的分配、释放,文件的map等功能。

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  1. VFS(Virtual File System),虚拟文件系统。Linux内核将不同功能的外部设备,例如Disk设备(硬盘、磁盘、NAND Flash、Nor Flash等)、输入输出设备、显示设备等等,抽象为可以通过统一的文件操作接口(open、close、read、write等)来访问。这就是Linux系统“一切皆是文件”的体现 。
    文件系统的实质,就是“存储和组织数据的方法”,文件系统的表现形式,就是“从某个设备中读取数据和向某个设备写入数据”。常见文件系统的类型 :FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3,EXT4 。而为了兼容,操作系统或者内核,要以相同的表现形式,同时支持多种类型的文件系统,这就延伸出了虚拟文件系统(VFS)的概念。VFS的功能就是管理各种各样的文件系统,屏蔽它们的差异,以统一的方式,为用户程序提供访问文件的接口。
    我们可以从磁盘、硬盘、NAND Flash等设备中读取或写入数据,因而最初的文件系统都是构建在这些设备之上的。这个概念也可以推广到其它的硬件设备,例如内存、显示器(LCD)、键盘、串口等等。我们对硬件设备的访问控制,也可以归纳为读取或者写入数据,因而可以用统一的文件操作接口访问。Linux内核就是这样做的,除了传统的磁盘文件系统之外,它还抽象出了设备文件系统、内存文件系统等等。这些逻辑,都是由VFS子系统实现。
    VFS子系统包括6个子模块(见下图),它们的功能如下:

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3.1) Device Drivers,设备驱动,用于控制所有的外部设备及控制器。由于存在大量不能相互兼容的硬件设备(特别是嵌入式产品),所以也有非常多的设备驱动。因此,Linux内核中将近一半的Source Code都是设备驱动,大多数的Linux底层工程师(特别是国内的企业)都是在编写或者维护设备驱动,而无暇估计其它内容(它们恰恰是Linux内核的精髓所在)。
3.2) Device Independent Interface, 该模块定义了描述硬件设备的统一方式(统一设备模型),所有的设备驱动都遵守这个定义,可以降低开发的难度。同时可以用一致的形势向上提供接口。
3.3) Logical Systems,每一种文件系统,都会对应一个Logical System(逻辑文件系统),它会实现具体的文件系统逻辑。
3.4) System Independent Interface,该模块负责以统一的接口(快设备和字符设备)表示硬件设备和逻辑文件系统,这样上层软件就不再关心具体的硬件形态了。
3.5) System Call Interface,系统调用接口,向用户空间提供访问文件系统和硬件设备的统一的接口。

  1. Network,网络子系统。负责管理系统的网络设备,并实现多种多样的网络标准。
    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。在Linux内核中,网络子系统几乎是自成体系,它包括5个子模块(见下图),它们的功能如下:

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4.1) Network Device Drivers,网络设备的驱动,和VFS子系统中的设备驱动是一样的。
4.2) Device Independent Interface,和VFS子系统中的是一样的。
4.3) Network Protocols,实现各种网络传输协议,例如IP, TCP, UDP等等。
4.4) Protocol Independent Interface,屏蔽不同的硬件设备和网络协议,以相同的格式提供接口(socket)。
4.5) System Call interface,系统调用接口,向用户空间提供访问网络设备的统一的接口。

  1. IPC(Inter-Process Communication),进程间通信。IPC不管理任何的硬件,它主要负责Linux系统中进程之间的通信。

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