Linux 内核剖析(转)

linux内核是一个庞大而复杂的操作系统的核心，不过尽管庞大，但是却采用子系统和分层的概念很好地进行了组织。在本文中，您将探索Linux内核的总体结构，并学习一些主要的子系统和核心接口。

Linux内核简介

如果站在比较高的程度对gnu/linux进行抽象的话，linux可以分为两层体系结构如下图所示：

最上面是用户（或应用程序）空间。这是用户应用程序执行的地方。用户空间之下是内核空间，Linux内核正是位于这里。

GNUCLibrary（glibc）也在这里。它提供了连接内核的系统调用接口，还提供了在用户空间应用程序和内核之间进行转换的机制。这点非常重要，因为内核和用户空间的应用程序使用的是不同的保护地址空间。每个用户空间的进程都使用自己的虚拟地址空间，而内核则占用单独的地址空间。更多信息，请参看参考资料一节中的链接。

Linux内核可以进一步划分成3层。最上面是系统调用接口，它实现了一些基本的功能，例如read和write。系统调用接口之下是内核代码，可以更精确地定义为独立于体系结构的内核代码。这些代码是Linux所支持的所有处理器体系结构所通用的。在这些代码之下是依赖于体系结构的代码，构成了通常称为BSP（BoardSupportPackage）的部分。这些代码用作给定体系结构的处理器和特定于平台的代码。

Linux内核的属性

在讨论大型而复杂的系统的体系结构时，可以从很多角度来审视系统。体系结构分析的一个目标是提供一种方法更好地理解源代码，这正是本文的目的。

Linux内核实现了很多重要的体系结构属性。在或高或低的层次上，内核被划分为多个子系统。Linux也可以看作是一个整体，因为它会将所有这些基本服务都集成到内核中。这与微内核的体系结构不同，后者会提供一些基本的服务，例如通信、I/O、内存和进程管理，更具体的服务都是插入到微内核层中的。每种内核都有自己的优点，不过这里并不对此进行讨论。

随着时间的流逝，Linux内核在内存和CPU使用方面具有较高的效率，并且非常稳定。但是对于Linux来说，最为有趣的是在这种大小和复杂性的前提下，依然具有良好的可移植性。Linux编译后可在大量处理器和具有不同体系结构约束和需求的平台上运行。一个例子是Linux可以在一个具有内存管理单元（MMU）的处理器上运行，也可以在那些不提供MMU的处理器上运行。Linux内核的uClinux移植提供了对非MMU的支持。

Linux内核的主要子系统

系统调用接口

SCI层提供了某些机制执行从用户空间到内核的函数调用。正如前面讨论的一样，这个接口依赖于体系结构，甚至在相同的处理器家族内也是如此。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。有关这个组件的更详细信息可以在参考资料一节中找到。

进程管理

进程管理的重点是进程的执行。在内核中，这些进程称为线程，代表了单独的处理器虚拟化（线程代码、数据、堆栈和CPU寄存器）。在用户空间，通常使用进程这个术语，不过Linux实现并没有区分这两个概念（进程和线程）。内核通过SCI提供了一个应用程序编程接口（API）来创建一个新进程（fork、exec或PortableOperatingSystemInterface[POSIX]函数），停止进程（kill、exit），并在它们之间进行通信和同步（signal或者POSIX机制）。

进程管理还包括处理活动进程之间共享CPU的需求。内核实现了一种新型的调度算法，不管有多少个线程在竞争CPU，这种算法都可以在固定时间内进行操作。这种算法就称为O(1)调度程序，这个名字就表示它调度多个线程所使用的时间和调度一个线程所使用的时间是相同的。O(1)调度程序也可以支持多处理器（称为对称多处理器或SMP）。您可以在./linux/kernel中找到进程管理的源代码，在./linux/arch中可以找到依赖于体系结构的源代码。在参考资料一节中可以了解有关这个算法的更多内容。

内存管理

内核所管理的另外一个重要资源是内存。为了提高效率，如果由硬件管理虚拟内存，内存是按照所谓的内存页方式进行管理的（对于大部分体系结构来说都是4KB）。Linux包括了管理可用内存的方式，以及物理和虚拟映射所使用的硬件机制。

不过内存管理要管理的可不止4KB缓冲区。Linux提供了对4KB缓冲区的抽象，例如slab分配器。这种内存管理模式使用4KB缓冲区为基数，然后从中分配结构，并跟踪内存页使用情况，比如哪些内存页是满的，哪些页面没有完全使用，哪些页面为空。这样就允许该模式根据系统需要来动态调整内存使用。

为了支持多个用户使用内存，有时会出现可用内存被消耗光的情况。由于这个原因，页面可以移出内存并放入磁盘中。这个过程称为交换，因为页面会被从内存交换到硬盘上。内存管理的源代码可以在./linux/mm中找到。

虚拟文件系统

虚拟文件系统（VFS）是Linux内核中非常有用的一个方面，因为它为文件系统提供了一个通用的接口抽象。VFS在SCI和内核所支持的文件系统之间提供了一个交换层。

在VFS上面，是对诸如open、close、read和write之类的函数的一个通用API抽象。在VFS下面是文件系统抽象，它定义了上层函数的实现方式。它们是给定文件系统（超过50个）的插件。文件系统的源代码可以在./linux/fs中找到。

文件系统层之下是缓冲区缓存，它为文件系统层提供了一个通用函数集（与具体文件系统无关）。这个缓存层通过将数据保留一段时间（或者随即预先读取数据以便在需要是就可用）优化了对物理设备的访问。缓冲区缓存之下是设备驱动程序，它实现了特定物理设备的接口。

网络堆栈

网络堆栈在设计上遵循模拟协议本身的分层体系结构。回想一下，InternetProtocol(IP)是传输协议（通常称为传输控制协议或TCP）下面的核心网络层协议。TCP上面是socket层，它是通过SCI进行调用的。

socket层是网络子系统的标准API，它为各种网络协议提供了一个用户接口。从原始帧访问到IP协议数据单元（PDU），再到TCP和UserDatagramProtocol(UDP)，socket层提供了一种标准化的方法来管理连接，并在各个终点之间移动数据。内核中网络源代码可以在./linux/net中找到。

设备驱动程序

Linux内核中有大量代码都在设备驱动程序中，它们能够运转特定的硬件设备。Linux源码树提供了一个驱动程序子目录，这个目录又进一步划分为各种支持设备，例如Bluetooth、I2C、serial等。设备驱动程序的代码可以在./linux/drivers中找到。

依赖体系结构的代码

尽管Linux很大程度上独立于所运行的体系结构，但是有些元素则必须考虑体系结构才能正常操作并实现更高效率。./linux/arch子目录定义了内核源代码中依赖于体系结构的部分，其中包含了各种特定于体系结构的子目录（共同组成了BSP）。对于一个典型的桌面系统来说，使用的是i386目录。每个体系结构子目录都包含了很多其他子目录，每个子目录都关注内核中的一个特定方面，例如引导、内核、内存管理等。这些依赖体系结构的代码可以在./linux/arch中找到。