Linux内核架构和工作原理详解(一)

简介

作用是将应用层序的请求传递给硬件,并充当底层驱动程序,对系统中的各种设备和组件进行寻址。目前支持模块的动态装卸(裁剪)。Linux内核就是基于这个策略实现的。Linux进程1.采用层次结构,每个进程都依赖于一个父进程。内核启动init程序作为第一个进程。该进程负责进一步的系统初始化操作。init进程是进程树的根,所有的进程都直接或者间接起源于该进程。virt/ ---- 提供虚拟机技术的支持。

Linux内核预备工作

理解Linux内核最好预备的知识点:

懂C语言

懂一点操作系统的知识

熟悉少量相关算法

懂计算机体系结构

Linux内核的特点:

结合了unix操作系统的一些基础概念

Linux内核的任务:

1.从技术层面讲,内核是硬件与软件之间的一个中间层。作用是将应用层序的请求传递给硬件,并充当底层驱动程序,对系统中的各种设备和组件进行寻址。

2.从应用程序的层面讲,应用程序与硬件没有联系,只与内核有联系,内核是应用程序知道的层次中的最底层。在实际工作中内核抽象了相关细节。

3.内核是一个资源管理程序。负责将可用的共享资源(CPU时间、磁盘空间、网络连接等)分配得到各个系统进程。

4.内核就像一个库,提供了一组面向系统的命令。系统调用对于应用程序来说,就像调用普通函数一样。

内核实现策略:

1.微内核。最基本的功能由中央内核(微内核)实现。所有其他的功能都委托给一些独立进程,这些进程通过明确定义的通信接口与中心内核通信。

2.宏内核。内核的所有代码,包括子系统(如内存管理、文件管理、设备驱动程序)都打包到一个文件中。内核中的每一个函数都可以访问到内核中所有其他部分。目前支持模块的动态装卸(裁剪)。Linux内核就是基于这个策略实现的。

哪些地方用到了内核机制?

1.进程(在cpu的虚拟内存中分配地址空间,各个进程的地址空间完全独立;同时执行的进程数最多不超过cpu数目)之间进行通 信,需要使用特定的内核机制。

2.进程间切换(同时执行的进程数最多不超过cpu数目),也需要用到内核机制。

进程切换也需要像FreeRTOS任务切换一样保存状态,并将进程置于闲置状态/恢复状态。

3.进程的调度。确认哪个进程运行多长的时间。

Linux进程

1.采用层次结构,每个进程都依赖于一个父进程。内核启动init程序作为第一个进程。该进程负责进一步的系统初始化操作。init进程是进程树的根,所有的进程都直接或者间接起源于该进程。

2.通过pstree命令查询。实际上得系统第一个进程是systemd,而不是init(这也是疑问点)

3.系统中每一个进程都有一个唯一标识符(ID),用户(或其他进程)可以使用ID来访问进程。

Linux内核源代码的目录结构

Linux内核源代码包括三个主要部分:

内核核心代码,包括第3章所描述的各个子系统和子模块,以及其它的支撑子系统,例如电源管理、Linux初始化等

其它非核心代码,例如库文件(因为Linux内核是一个自包含的内核,即内核不依赖其它的任何软件,自己就可以编译通过)、固件集合、KVM(虚拟机技术)等

编译脚本、配置文件、帮助文档、版权说明等辅助性文件

使用ls命令看到的内核源代码的顶层目录结构,具体描述如下。

include/ ---- 内核头文件,需要提供给外部模块(例如用户空间代码)使用。

kernel/ ---- Linux内核的核心代码,包含了3.2小节所描述的进程调度子系统,以及和进程调度相关的模块。

mm/ ---- 内存管理子系统(3.3小节)。

fs/ ---- VFS子系统(3.4小节)。

net/ ---- 不包括网络设备驱动的网络子系统(3.5小节)。

ipc/ ---- IPC(进程间通信)子系统。

arch// ---- 体系结构相关的代码,例如arm, x86等等。

arch//mach- ---- 具体的machine/board相关的代码。

arch//include/asm ---- 体系结构相关的头文件。

arch//boot/dts ---- 设备树(Device Tree)文件。

init/ ---- Linux系统启动初始化相关的代码。

block/ ---- 提供块设备的层次。

sound/ ---- 音频相关的驱动及子系统,可以看作"音频子系统"。

drivers/ ---- 设备驱动(在Linux kernel 3.10中,设备驱动占了49.4的代码量)。

lib/ ---- 实现需要在内核中使用的库函数,例如CRC、FIFO、list、MD5等。

crypto/ ----- 加密、解密相关的库函数。

security/ ---- 提供安全特性(SELinux)。

virt/ ---- 提供虚拟机技术(KVM等)的支持。

usr/ ---- 用于生成initramfs的代码。

firmware/ ---- 保存用于驱动第三方设备的固件。

samples/ ---- 一些示例代码。

tools/ ---- 一些常用工具,如性能剖析、自测试等。

Kconfig, Kbuild, Makefile, scripts/ ---- 用于内核编译的配置文件、脚本等。

COPYING ---- 版权声明。

MAINTAINERS ----维护者名单。

CREDITS ---- Linux主要的贡献者名单。

REPORTING-BUGS ---- Bug上报的指南。

Documentation, README ---- 帮助、说明文档。

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