【Linux】内核简介
1.Linux 的体系结构
User Space 是用户空间即应用程序执行的地方。Kernel Space 是内核空间，分为 3 层：① 最上层实系统调用接口，即内核向用户提供服务的接口，例如 io read 和 write。应用程序通过软件中断后，调用系统内核提供的功能。② 内核程序。③ 最下层是体系结构的代码，通常称为 BSP。
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Linux 内核简介：
内核是操作系统最基本的部分，提供了安全访问计算机硬件的基本能力。这种访问是有限的，并且内核决定应用程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。内核负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。
问题 1：内核的实质是什么？
答：内核的实质也是一种应用程序，只不过它是直接操作硬件的。内核直接面对硬件，调用硬件接口即硬件厂商提供的指令集。内核是直接面向硬件的，故可用资源权限很大，但内核是工作在有限地址空间内的，例如 Linux 的32位系统在线性地址空间中，内核只认为自己有 1G 的空间，剩下的 3G 给用户态的应用程序。
说明：编写内核级应用程序的时候，为了避免过于底层，因此内核可以动态编译后，重启加载该程序，例如驱动程序通过动态编译生成可执行文件，然后系统重启后加载该驱动就可以使用相应的设备。
问题 2：从动态角度如何分析 Linux 主机的运行状态
答：用户态的应用程序逻辑上是运行在内核，但实际是直接工作在硬件上的。简单来说，任意应用程序数据都在内存中，数据处理都是在 CPU，只是应用程序不能随意使用这些硬件资源，需要接受内核的管理。当用户态的应用程序需要访问硬件资源时，首先通过系统调用接口向 CPU 发起特权请求，一旦 CPU 收到特权请求就会唤醒内核，从而执行内核中的某段代码，然后将结果返回给应用程序。接着内核代码退出，内核程序暂停。
问题 3：CPU 占用与内核的关系
答：内核将 CPU 虚拟化提供给进程，使得内存中每一个进程都以为直接是独占 CPU。内核将 CPU 切成时间片，随着时间流逝完成了在进程之间分配计算能力，即内核把 CPU 以时间的方式提供了计算能力。
2.内核的整体架构与子系统
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- Process Scheduler 进程管理：负责管理 CPU 资源，使得让各个进程以时间片的方式使用 CPU 资源
- Memory Manager 内存管理：负责管理 Memory（内存）资源，是的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，可以让进程使用多于系统可用的 Memory，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。
- VFS（Virtual File System）虚拟文件系统：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，抽象为可以通过统一的文件操作接口（open、close、read、write等）来访问。
- Network 网络系统：负责管理系统的网络设备，并实现多种多样的网络标准。
- IPC（Inter-Process Communication）进程间通信：不管理任何的硬件，主要负责 Linux 系统中进程之间的通信
2.1 Process Scheduler 进程管理
进程调度是 Linux 内核中最重要的子系统，主要提供对 CPU 的访问控制。进程调度子系统的 4 个模块，如下图所示。
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- System Call Interface 系统调用接口：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。例如应用程序的主进程可以利用系统调用接口，创建、暂停和恢复子线程。
- Architecture-independent Scheduler 模块：体系结构无关的部分，即与 CPU、内存等硬件无关的模块。它与 Scheduling Policy 模块沟通决定接下来要执行哪个进程，最后通过 Architecture-specific Schedulers 模块 resume 指定的进程。
- Scheduling Policy 进程调度策略：决定哪个或哪几个的进程将拥有 CPU 切片时间。
- Architecture-specific Schedulers 模块：体系结构相关的部分，即与 CPU、内存等硬件相关联的模块。将对不同 CPU 的控制抽象为统一的接口，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。
2.2 Memory Manager 内存管理
内存管理也是 Linux 内核中最重要的子系统，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（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，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，如下图所示。
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- System Call Interface 系统调用接口：通过该接口向用户态的应用程序提供内存的分配、释放，文件的 map 等功能。
- Architecture-independent Scheduler 模块：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 等。
- Architecture-specific Schedulers 模块：提供用于访问内存硬件的虚拟接口。
2.3 VFS 虚拟文件系统
虚拟文件系统 VFS 就是管理各种各样的文件系统，屏蔽其差异，以统一的方式为用户程序提供访问文件的。VFS 子系统包括 6 个子模块，如下图所示。
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- System Independent Interface 模块：负责以统一的接口表示硬件设备和逻辑文件系统，包括快设备和字符设备。
- Logical Systems 模块：每一种文件系统都会对应一个 Logical System 逻辑文件系统，实现了具体的文件系统逻辑。
- Device Independent Interface 模块：定义了硬件设备的统一方式即统一设备模型，所有的设备驱动都遵守这个定义，可以降低开发的难度。
- Device Drivers 模块：设备驱动模块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。
2.4 Network 网络系统
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，包括 5 个子模块，如下图所示。
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- Protocol Independent Interface 模块：屏蔽不同的硬件设备和网络协议，以相同的格式提供接口即 Socket
- Network Protocols 模块：实现各种网络传输协议，例如 IP、TCP、UDP 等
- Device Independent Interface 模块：定义了硬件设备的统一方式即统一设备模型，所有的设备驱动都遵守这个定义，可以降低开发的难度。
- Network Device Drivers 模块：网络设备的驱动，类似 VFS 子系统中的设备驱动。
3.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：上面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
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 2.1 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 2.2 小节
fs/ ---- VFS 子系统 2.3 小节。
net/ ---- 不包括网络设备驱动的网络子系统 2.4 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。
