1.Linux 的體系結(jié)構(gòu)
User Space 是用戶空間即應(yīng)用程序執(zhí)行的地方杜秸。Kernel Space 是內(nèi)核空間柑潦，分為 3 層：① 最上層實系統(tǒng)調(diào)用接口绊含，即內(nèi)核向用戶提供服務(wù)的接口必尼，例如 io read 和 write缤谎。應(yīng)用程序通過軟件中斷后抒倚，調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核提供的功能。② 內(nèi)核程序坷澡。③ 最下層是體系結(jié)構(gòu)的代碼托呕，通常稱為 BSP。
Linux 內(nèi)核簡介：
內(nèi)核是操作系統(tǒng)最基本的部分频敛，提供了安全訪問計算機硬件的基本能力项郊。這種訪問是有限的，并且內(nèi)核決定應(yīng)用程序在什么時候?qū)δ巢糠钟布僮鞫嚅L時間斟赚。內(nèi)核負責管理系統(tǒng)的進程着降、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序拗军、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)任洞，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性蓄喇。
問題 1：內(nèi)核的實質(zhì)是什么？
答：內(nèi)核的實質(zhì)也是一種應(yīng)用程序交掏，只不過它是直接操作硬件的妆偏。內(nèi)核直接面對硬件，調(diào)用硬件接口即硬件廠商提供的指令集耀销。內(nèi)核是直接面向硬件的楼眷，故可用資源權(quán)限很大，但內(nèi)核是工作在有限地址空間內(nèi)的熊尉，例如 Linux 的32位系統(tǒng)在線性地址空間中罐柳，內(nèi)核只認為自己有 1G 的空間，剩下的 3G 給用戶態(tài)的應(yīng)用程序狰住。
說明：編寫內(nèi)核級應(yīng)用程序的時候张吉，為了避免過于底層，因此內(nèi)核可以動態(tài)編譯后催植，重啟加載該程序肮蛹，例如驅(qū)動程序通過動態(tài)編譯生成可執(zhí)行文件，然后系統(tǒng)重啟后加載該驅(qū)動就可以使用相應(yīng)的設(shè)備创南。
問題 2：從動態(tài)角度如何分析 Linux 主機的運行狀態(tài)
答：用戶態(tài)的應(yīng)用程序邏輯上是運行在內(nèi)核伦忠，但實際是直接工作在硬件上的。簡單來說稿辙，任意應(yīng)用程序數(shù)據(jù)都在內(nèi)存中昆码，數(shù)據(jù)處理都是在 CPU，只是應(yīng)用程序不能隨意使用這些硬件資源邻储，需要接受內(nèi)核的管理赋咽。當用戶態(tài)的應(yīng)用程序需要訪問硬件資源時，首先通過系統(tǒng)調(diào)用接口向 CPU 發(fā)起特權(quán)請求吨娜，一旦 CPU 收到特權(quán)請求就會喚醒內(nèi)核脓匿，從而執(zhí)行內(nèi)核中的某段代碼，然后將結(jié)果返回給應(yīng)用程序宦赠。接著內(nèi)核代碼退出陪毡，內(nèi)核程序暫停。
問題 3：CPU 占用與內(nèi)核的關(guān)系
答：內(nèi)核將 CPU 虛擬化提供給進程勾扭，使得內(nèi)存中每一個進程都以為直接是獨占 CPU缤骨。內(nèi)核將 CPU 切成時間片，隨著時間流逝完成了在進程之間分配計算能力尺借，即內(nèi)核把 CPU 以時間的方式提供了計算能力。
2.內(nèi)核的整體架構(gòu)與子系統(tǒng)
- Process Scheduler 進程管理：負責管理 CPU 資源精拟，使得讓各個進程以時間片的方式使用 CPU 資源
- Memory Manager 內(nèi)存管理：負責管理 Memory（內(nèi)存）資源燎斩，是的各個進程可以安全地共享機器的內(nèi)存資源虱歪。另外，內(nèi)存管理會提供虛擬內(nèi)存的機制栅表，可以讓進程使用多于系統(tǒng)可用的 Memory笋鄙，不用的內(nèi)存會通過文件系統(tǒng)保存在外部非易失存儲器中，需要使用的時候再取回到內(nèi)存中怪瓶。
- VFS（Virtual File System）虛擬文件系統(tǒng)：將不同功能的外部設(shè)備萧落，例如 Disk 設(shè)備（硬盤、磁盤洗贰、NAND Flash找岖、Nor Flash 等）、輸入輸出設(shè)備敛滋、顯示設(shè)備等许布，抽象為可以通過統(tǒng)一的文件操作接口（open、close绎晃、read蜜唾、write等）來訪問。
- Network 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：負責管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備庶艾，并實現(xiàn)多種多樣的網(wǎng)絡(luò)標準袁余。
- IPC（Inter-Process Communication）進程間通信：不管理任何的硬件，主要負責 Linux 系統(tǒng)中進程之間的通信
2.1 Process Scheduler 進程管理
進程調(diào)度是 Linux 內(nèi)核中最重要的子系統(tǒng)咱揍，主要提供對 CPU 的訪問控制颖榜。進程調(diào)度子系統(tǒng)的 4 個模塊，如下圖所示述召。
- System Call Interface 系統(tǒng)調(diào)用接口：系統(tǒng)調(diào)用接口將需要提供給用戶空間的接口開放出去朱转，同時屏蔽掉不需要用戶空間程序關(guān)心的細節(jié)。例如應(yīng)用程序的主進程可以利用系統(tǒng)調(diào)用接口积暖，創(chuàng)建藤为、暫停和恢復(fù)子線程。
- Architecture-independent Scheduler 模塊：體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分夺刑，即與 CPU缅疟、內(nèi)存等硬件無關(guān)的模塊。它與 Scheduling Policy 模塊溝通決定接下來要執(zhí)行哪個進程遍愿，最后通過 Architecture-specific Schedulers 模塊 resume 指定的進程存淫。
- Scheduling Policy 進程調(diào)度策略：決定哪個或哪幾個的進程將擁有 CPU 切片時間。
- Architecture-specific Schedulers 模塊：體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的部分沼填，即與 CPU桅咆、內(nèi)存等硬件相關(guān)聯(lián)的模塊。將對不同 CPU 的控制抽象為統(tǒng)一的接口坞笙，主要在 suspend 和 resume 進程時使用岩饼，牽涉到CPU的寄存器訪問荚虚、匯編指令操作等。
2.2 Memory Manager 內(nèi)存管理
內(nèi)存管理也是 Linux 內(nèi)核中最重要的子系統(tǒng)籍茧，主要提供對內(nèi)存資源的訪問控制版述。Linux 系統(tǒng)會在硬件物理內(nèi)存和進程所使用的內(nèi)存（虛擬內(nèi)存）之間建立一種映射關(guān)系。這種映射是以進程為單位寞冯，不同的進程可以使用相同的虛擬內(nèi)存渴析，而這些相同的虛擬內(nèi)存，可以映射到不同的物理內(nèi)存上吮龄。內(nèi)存管理子系統(tǒng)包括 3 個子模塊俭茧，如下圖所示。
- System Call Interface 系統(tǒng)調(diào)用接口：通過該接口向用戶態(tài)的應(yīng)用程序提供內(nèi)存的分配螟蝙、釋放恢恼，文件的 map 等功能。
- Architecture-independent Scheduler 模塊：提供所有的內(nèi)存管理機制胰默，包括以進程為單位的 memory mapping场斑、虛擬內(nèi)存的 Swapping 等。
- Architecture-specific Schedulers 模塊：提供用于訪問內(nèi)存硬件的虛擬接口牵署。
2.3 VFS 虛擬文件系統(tǒng)
虛擬文件系統(tǒng) VFS 就是管理各種各樣的文件系統(tǒng)漏隐，屏蔽其差異，以統(tǒng)一的方式為用戶程序提供訪問文件的奴迅。VFS 子系統(tǒng)包括 6 個子模塊青责，如下圖所示。
- System Independent Interface 模塊：負責以統(tǒng)一的接口表示硬件設(shè)備和邏輯文件系統(tǒng)取具，包括快設(shè)備和字符設(shè)備脖隶。
- Logical Systems 模塊：每一種文件系統(tǒng)都會對應(yīng)一個 Logical System 邏輯文件系統(tǒng)，實現(xiàn)了具體的文件系統(tǒng)邏輯暇检。
- Device Independent Interface 模塊：定義了硬件設(shè)備的統(tǒng)一方式即統(tǒng)一設(shè)備模型产阱，所有的設(shè)備驅(qū)動都遵守這個定義，可以降低開發(fā)的難度块仆。
- Device Drivers 模塊：設(shè)備驅(qū)動模塊用于控制所有的外部設(shè)備及控制器构蹬。由于存在大量不能相互兼容的硬件設(shè)備，特別是嵌入式產(chǎn)品悔据，所以也有非常多的設(shè)備驅(qū)動庄敛。因此，Linux 內(nèi)核中將近一半的 Source Code 都是設(shè)備驅(qū)動科汗。
2.4 Network 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)在 Linux 內(nèi)核中主要負責管理各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備藻烤，并實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，最終實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)連接其它系統(tǒng)的功能，包括 5 個子模塊隐绵，如下圖所示之众。
- Protocol Independent Interface 模塊：屏蔽不同的硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以相同的格式提供接口即 Socket
- Network Protocols 模塊：實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議依许，例如 IP、TCP缀蹄、UDP 等
- Device Independent Interface 模塊：定義了硬件設(shè)備的統(tǒng)一方式即統(tǒng)一設(shè)備模型峭跳，所有的設(shè)備驅(qū)動都遵守這個定義，可以降低開發(fā)的難度缺前。
- Network Device Drivers 模塊：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動蛀醉，類似 VFS 子系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動。
3.內(nèi)核源代碼的目錄結(jié)構(gòu)
Linux 內(nèi)核源代碼包括三個主要部分衅码。
- 內(nèi)核核心代碼：上面所描述的各個子系統(tǒng)和子模塊拯刁，以及其它的支撐子系統(tǒng)，例如電源管理逝段、Linux初始化等
- 其它非核心代碼：例如庫文件（因為Linux內(nèi)核是一個自包含的內(nèi)核垛玻，即內(nèi)核不依賴其它的任何軟件，自己就可以編譯通過）奶躯、固件集合帚桩、KVM（虛擬機技術(shù)）等
- 編譯腳本、配置文件嘹黔、幫助文檔账嚎、版權(quán)說明等輔助性文件
include/ ---- 內(nèi)核頭文件，需要提供給外部模塊（例如用戶空間代碼）使用儡蔓。
kernel/ ---- Linux 內(nèi)核的核心代碼郭蕉，包含了 2.1 小節(jié)所描述的進程調(diào)度子系統(tǒng)，以及和進程調(diào)度相關(guān)的模塊
mm/ ---- 內(nèi)存管理子系統(tǒng) 2.2 小節(jié)
fs/ ---- VFS 子系統(tǒng) 2.3 小節(jié)喂江。
net/ ---- 不包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng) 2.4 小節(jié)）召锈。
ipc/ ---- IPC（進程間通信）子系統(tǒng)。
arch// ---- 體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼开呐，例如arm, x86等等烟勋。
arch//mach- ---- 具體的machine/board相關(guān)的代碼。
arch//include/asm ---- 體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的頭文件筐付。
arch//boot/dts ---- 設(shè)備樹（Device Tree）文件卵惦。
init/ ---- Linux系統(tǒng)啟動初始化相關(guān)的代碼。
block/ ---- 提供塊設(shè)備的層次瓦戚。
sound/ ---- 音頻相關(guān)的驅(qū)動及子系統(tǒng)沮尿，可以看作“音頻子系統(tǒng)”。
drivers/ ---- 設(shè)備驅(qū)動（在Linux kernel 3.10中，設(shè)備驅(qū)動占了49.4的代碼量）畜疾。
lib/ ---- 實現(xiàn)需要在內(nèi)核中使用的庫函數(shù)赴邻，例如CRC、FIFO啡捶、list姥敛、MD5等。
crypto/ ----- 加密瞎暑、解密相關(guān)的庫函數(shù)彤敛。
security/ ---- 提供安全特性（SELinux）。
virt/ ---- 提供虛擬機技術(shù)（KVM等）的支持了赌。
usr/ ---- 用于生成initramfs的代碼墨榄。
firmware/ ---- 保存用于驅(qū)動第三方設(shè)備的固件。
samples/ ---- 一些示例代碼勿她。
tools/ ---- 一些常用工具袄秩，如性能剖析、自測試等逢并。
Kconfig, Kbuild, Makefile, scripts/ ---- 用于內(nèi)核編譯的配置文件之剧、腳本等。
COPYING ---- 版權(quán)聲明筒狠。
MAINTAINERS ----維護者名單猪狈。
CREDITS ---- Linux主要的貢獻者名單。
REPORTING-BUGS ---- Bug上報的指南辩恼。
Documentation, README ---- 幫助雇庙、說明文檔。
