【Note】Linux Kernel 之 内核架构、源码文件、API/ABI 、FHS

Linux Kernel 之 内核架构、源码文件、API/ABI 、FHS

一、内核架构（Kernel Architecture）

Linux 是一个 可抢占、模块化的单体内核，其关键子系统包括进程调度、虚拟内存、I/O、设备驱动、网络、文件系统和安全等。

架构可概括为：

用户空间（User space）：运行应用程序，通过系统调用与内核交互；

内核空间（Kernel space）：管理硬件资源、调度、安全策略。

内核本身虽为单体内核，但支持 加载模块，如文件系统、驱动、网络协议等。同时，它对多种 CPU 架构（x86/x64、ARM/AArch64、RISC-V、MIPS 等）提供支持 。

• Linux 采用"模块化单体内核"设计：

  • 内核主要功能（调度、网络、文件系统等）都运行在内核空间（单体框架）；
  • 同时通过可加载模块（loadable kernel modules）支持驱动、文件系统等按需加载卸载 ([DEV Community][3], [ARMO][4])

• 维护机制：各子系统由专门维护者负责，Linus → subsystem maintainers → sub-sub-system，确保代码质量、模块边界清晰

• 模块化带来：

  • 内存/性能优化：仅加载必要组件；
  • 易于维护与更新：驱动可独立升级，无需重启或编译整个内核。

二、源码结构（Source Code Organization）

Linux 源代码采用清晰的目录架构以反映其模块模块化结构：

kernel/      # 内核核心逻辑与调度
mm/          # 内存管理
fs/          # 文件系统实现与 VFS
net/         # 网络子系统
drivers/     # 各类设备驱动
arch/        # 各 CPU 架构支持，保存与 CPU 相关的启动、异常、中断、页表管理等代码
include/     # 通用与架构相关头文件
init/        # 内核初始化入口
ipc/          # 进程间通信机制

# kernel/, mm/, fs/, net/ 等目录是内核总逻辑中主要子系统各自实现。

三、API 与 ABI

3.1 用户空间 API / ABI

3.1.1 概念

• API（Application Programming Interface） 指供用户空间使用的系统调用，如 open, read, write, mount。

• ABI（Application Binary Interface） 是这些 API 的二进制接口标准（参数传递、结构体布局、枚举顺序、返回值等），需要保持长期兼容。

Linux 为稳定 ABI 提供保障机制，并分层分别维护如下文档路径：

• Documentation/ABI/stable/：会长期兼容（至少 2 年）
• .../testing/、obsolete/、removed/

3.1.2 稳定的用户空间API

• Linux 核心承诺"不会破坏用户空间"，即系统调用接口（syscalls）、结构体布局、符号定义、procfs、sysfs 等保持长期兼容 ([Opensource.com][1])
• 这些接口保留为 stable ABI，用户空间程序（或静态编译）在新内核发布后仍可正常运行，不需重编译 ([Reddit][2])
• 开发者通过 Documentation/ABI/stable/ 等保持明确文档约定，确保兼容性;

3.1.3 系统组织：分层抽象实现全链条支持

Linux 通过清晰的层次架构，将硬件与用户空间程序隔离：

• 用户空间（user-space）

  调用系统调用（例如 open() / read()）与 C 库交互，由 kernel 提供 ABI 支持。

• 系统调用接口层

  Kernel 通过 syscall 实现功能提供，同时保证 ABI 稳定兼容。

• 内核空间（kernel-space）

  包含核心子系统如调度、内存管理、VFS、net、block layer、设备驱动等，结合 LSM 钩子机制进行安全控制

• 硬件抽象层（HAL）与驱动

  驱动作为模块实现对硬件的封装，模块化加载可扩展硬件支持。

• CPU 与 MMU 支持

  在 arch/ 目录下，不同架构（比如 ARM、x86、RISC-V 等）有独立启动、异常、中断、页表实现，支撑跨平台运行

3.1.4 从用户空间到底层硬件的完整路径

整体路径如下：

[用户进程]
   ↳ syscalls → ABI 接口
      ↳ VFS / Scheduler / MM / Net
         ↳ 调用驱动接口
            ↳ 驱动模块调用硬件操作
               ↳ 最终通过总线/寄存器操作硬件

• 用户调用库函数最终通过系统调用进入内核；
• 内核对业务进行调度、访问、权限检查、安全处理后委派到底层驱动；
• 驱动通过 MMU、IO MMU、DMA 访问物理硬件资源；
• 架构代码将对应寄存器读写、异常处理转为硬件可执行动作；
• 内核通过统一抽象将变化隐藏，保证上层不感知底层差异。

3.2 内核空间接口（Kernel-internal API）

3.2.1 概念

• 这些接口供驱动、子系统在内核内部调用，包括链表操作、原子操作、中断控制等；
• 不保证稳定性，核心开发者可以在必要时修改 。

3.2.2

四、FHS 借助内核的表现（Filesystem Hierarchy Standard）

• FHS 规定系统级文件系统目录结构： /bin, /usr, /lib, /etc, /var, /sys, /proc 等；
• 内核通过 虚拟文件系统（如 sysfs、procfs）映射出诸如 /sys, /proc, /dev, /run 等应用程序可查看的系统信息；
• 合规的分区与库路径是用户空间标准，而对应内核文件系统则提供支撑与接口。

五、一致性保障要素

维度	实现策略
ABI 稳定性	稳定 syscalls 和结构定义 / 透明文档 / 社区共识
模块化设计	模块机制 + 子系统维护者 / 代码审核流程
分层架构	明确用户 / 系统调用 / 核心 / 驱动 / 硬件 层级
多架构支持	arch/ 目录下的体系结构无侵扰主逻辑
硬件抽象	VFS、LSM、驱动、架构层共同实现跨设备抽象

通过这些机制，Linux 内核实现了从用户应用到硬件驱动的高效抽象链，在不同发行版、硬件架构与内核版本间保持高度一致性。

六、抽象链

Linux 内核实现从用户应用到硬件驱动的高效抽象链，主要通过多层接口与系统设计来实现。这些层次共同配合，提供了从用户层 API 到硬件操作的完整路径，同时确保性能、安全与可维护性。

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6.1 用户空间 ↔ 内核空间：系统调用（Syscalls）

• 用户程序通过标准库（如glibc）的函数调用（如 read()、open()）进入内核，实现特权切换 ([form3.tech][1])。
• 系统调用接口（如 sys_read()）由内核实现，并保持高度稳定以保证 ABI 兼容 。
• 特权切换通过陷入中断/异常机制执行，确保用户层无法直接访问硬件。

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6.2 VFS、调度、内存等核心服务

• 系统调用进入后，VFS、调度器、内存管理等内核子系统参与协作处理请求 。
  • VFS 根据路径查找 dentry / inode，执行文件 I/O。
  • 内存管理 确保存取缓存页、分配空间、触发 page‑fault。
  • 调度器 分配 CPU，确保并发与实时性。

这些子系统抽象了硬件和资源，提供一致的接口给上层逻辑。

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6.3 内核模块与驱动：设备接口统一化

• 内核虽为单体结构，但模块化支持动态加载驱动代码 。
• 驱动通过标准接口（如 read(), ioctl(), write()、request_irq(), dma_alloc_coherent()）与核心协作，实现硬件访问。
• 上层 VFS、设备框架无需关心硬件详情，驱动提供统一调用入口。

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6.4 硬件抽象层：架构相关实现与总线支持

• 在 arch/ 下，不同 CPU 架构（如 x86、ARM、RISC‑V）提供中断处理、页表配置、异常同步等实现 。
• 总线（如 PCI、USB、I²C、SPI）由公共子系统与驱动层支持，实现设备发现与资源分配。
• sysfs、udev 等机制在用户空间呈现设备视图，形成完整的通知与配置流程。

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6.5 实际硬件访问：寄存器读写与 DMA

• 驱动最终通过 I/O 操作（MMIO/U‑IO）、DMA 引擎等直接与硬件交换数据。
• 异步事件如中断通过 IRQ 注册机制传递至内核，进一步向上调度响应逻辑。

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6.6 架构层与硬件协作

• 用户层发起系统调用 → 内核核心逻辑处理 → VFS 或设备驱动接口调用 → 驱动执行硬件读写 → CPU/MMU 异常与架构代码协作完成。
• 多核系统下，调用还需处理 同步机制（如自旋锁、RCU 等），确保数据一致性与并发性能。

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6.7 抽象链图示

[ 用户应用 ]
     ↓ syscall()/syscall trap
[ 系统调用接口 ]
     ↓ VFS / Scheduler / Memory Manager
[ 内核子系统 ]
     ↓ 调用驱动接口
[ 驱动模块 (可动态加载) ]
     ↓ MMIO / DMA / IRQ
[ 架构 + 总线层实现 (arch/, PCI, USB等) ]
     ↔ 硬件寄存器与总线

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6.8 小结

Linux 核心提供了如下关键抽象特性：

• 系统调用接口：实现应用程序与内核的安全通信，保障 ABI 兼容。
• 核心服务层（VFS、memory、sched、net）：集中处理资源调度与管理，提供统一服务接口。
• 设备驱动模块：屏蔽硬件差异，将具体操作细节封装后暴露标准化 API。
• 架构与总线实现 ：在 arch/ 目录下提供不同硬件的支持，实现真正睿智的多平台能力。
• 硬件操作：由 MMIO、DMA、IRQ 等细粒度机制支持，构成完整闭环。

总结

项目	内容说明
架构	单体 + 模块化可抢占内核
代码结构	以子系统为单元目录组织
API / ABI	用户空间接口兼容，内核空间接口可变
FHS	按照标准结构挂载虚拟与持久文件系统