Linux内核的构成

简述

1. 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

3. 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 。

2. Linux内核整体架构.png

3. 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。

4. 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。

5. 进程调度子系统包括4个子模块（见下图），它们的功能如下：

2. 进程调度.gif

4. 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。

5. 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。

6. 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。

7. 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。

8. 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。

9. 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。

10. 内存管理子系统包括3个子模块（见下图），它们的功能如下：

2. 内存管理.gif

4. 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。

5. 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。

6. 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。

7. 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 。

8. 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。

9. 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。

10. VFS子系统包括6个子模块（见下图），它们的功能如下：

2. 虚拟文件系统.gif

4. 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）。

5. 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。

6. 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。

7. 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。

8. 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。

9. 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。

10. 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：

2. 网络系统.gif

4. 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。

5. 4.2) Device Independent Interface，和VFS子系统中的是一样的。

6. 4.3) Network Protocols，实现各种网络传输协议，例如IP, TCP, UDP等等。

7. 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)。

8. 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。

9. 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。