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标题: 【Linux体系】Linux内核框架（详细版本） [打印本页]

作者: 八卦阵 时间: 2024-12-5 12:43
标题: 【Linux体系】Linux内核框架（详细版本）
Linux体系结构：Linux操作体系的组件详细先容

Linux 是一个开源的类 UNIX 操作体系，由多个组件组成，具有模块化和条理化的体系结构。它的计划实现了内核、用户空间和硬件的高效协作，支持多用户、多任务操作，广泛应用于服务器、嵌入式设备和超级计算机中。
Linux 的整体体系结构

Linux 的体系结构通常分为 4 个主要条理，从底层到高层依次为：

硬件层（Hardware Layer）
内核层（Kernel Layer）
体系调用接口（System Call Interface，SCI）
用户空间（User Space）

架构分为两大部分：用户空间 和 内核空间：

这 4 个条理之间通过明确的接口进行交互。

各组件的详细先容

1. 硬件层
硬件层是 Linux 操作体系的最底层，包括全部物理硬件设备，如：

CPU：执行指令。
内存：存储运行中的步伐和数据。
I/O 设备：如键盘、鼠标、显示器、硬盘、网络设备等。
- 作用：Linux 操作体系通过内核中的设备驱动步伐与硬件层交互，屏蔽硬件差别，为上层提供统一的接口。

2. 内核层
内核是 Linux 操作体系的焦点部分，内核是Linux体系的最底层，提供了体系的焦点功能并答应进程以一种有序的方式访问硬件。用于控制进程、输入、输出设备、文件体系操作、管理内存。——这些都不需要用户参与，体系自行完成。
Linux内核支持多用户、多任务模式运行：

多用户：同时有多个用户访问体系；
多任务：某个时刻有多个步伐运行。

Linux 内核通常分为以下几个子体系：
2.1 进程管理（Process Management）
负责创建、调治和停止进程；实现多任务和多用户操作。
关键组件：

调治器（Scheduler）：使用调治算法（如 CFS 调治器）在多个进程之间分配 CPU 时间。
进程控制块（PCB）：生存进程的状态信息（如进程号、优先级、寄存器值等）。

2.2 内存管理（Memory Management）
管理物理内存和虚拟内存；提供内存分配、回收和地点空间隔离。
关键组件：

分页与分段：支持虚拟内存，使用分页机制（如 4KB 页）实现按需分配。
内存映射（mmap）：支持将文件或设备映射到进程内存空间。
交换空间（Swap）：当物理内存不敷时，将部分数据交换到硬盘。

2.3 文件体系（File System）
提供对存储设备的访问和组织；支持多种文件体系范例（如 ext4、XFS、NTFS）。
关键组件：

虚拟文件体系（VFS）：抽象不同文件体系的接口，提供统一的文件操作 API。
文件缓存：提高文件访问速度，通过内存缓存常用的文件数据。

2.4 网络子体系（Networking Subsystem）
实现网络协议栈，支持网络通信；管理网络设备和网络数据包。
关键组件：

协议栈：支持 TCP/IP、UDP、ICMP 等协议。
Socket 接口：提供进程间和分布式体系的通信机制。
网络驱动：管理物理网络设备（如以太网卡、Wi-Fi 模块）。

2.5 设备驱动步伐（Device Drivers）
负责与硬件交互，将硬件设备抽象为文件接口。
关键组件：

字符设备驱动：如键盘、鼠标、串口设备。
块设备驱动：如硬盘、SSD。
网络设备驱动：如网卡、Wi-Fi 模块。

2.6 体系调用接口（System Call Interface，SCI）
连接内核和用户空间，为用户进程提供访问内核服务的接口。
关键组件：

体系调用表：列出全部体系调用（如 read、write、fork、exec）。
陷入处理器（Trap Handler）：将用户态的体系调用请求转移到内核态。

3. 用户空间
用户空间是操作体系为用户提供的运行环境，包括用户态应用步伐和相关库。用户空间与内核通过体系调用接口交互。
3.1 应用步伐（Applications）
用户直接使用的步伐，如命令行工具、图形界面应用步伐、服务器应用等。
比方：文本编辑器（vim）、shell（bash）、欣赏器（Firefox）、数据库（MySQL）。
3.2 标准库（Standard Libraries）
提供常用的开辟接口，简化应用步伐开辟。
关键组件：

GNU C 库（glibc）：提供对体系调用的封装（如 printf、malloc）。
动态链接库：提高步伐的内存使用率和执行服从。

3.3 Shell（命令行解释器）
提供用户与操作体系交互的接口。执行用户输入的命令，调用相关步伐。
常见 Shell：Bash、Zsh、Fish等。
3.4 体系工具和服务
提供体系管理和用户服务。
关键工具：

守护进程（Daemon）：在后台运行的服务步伐（如 sshd、cron）。
包管理器：如 apt（Debian 系）、yum（Red Hat 系）管理软件包的安装和更新。

Linux 的模块化计划特点

模块化计划：
- 内核功能分为多个模块（如文件体系、网络协议、设备驱动等），可以根据需求加载或卸载。
- 模块化计划提高了体系的机动性和可维护性。
内核与用户空间分离：
- 内核运行在特权模式，直接控制硬件。
- 用户空间运行在非特权模式，通过体系调用与内核交互。
虚拟文件体系（VFS）：
- 抽象不同文件体系，为用户提供统一的文件操作接口。
广泛的硬件支持：
- Linux 支持从嵌入式设备到超级计算机的各种硬件架构（如 x86、ARM、RISC-V）。

Linux 操作体系各组件的交互过程：

文件读写

应用步伐调用标准库函数：比方，调用 fopen() 打开文件。
标准库调用体系调用接口：比方，fopen() 调用 open() 体系调用。
体系调用进入内核：体系调用通过陷入（trap）进入内核态。
内核通过 VFS 操作文件体系：虚拟文件体系调用具体文件体系（如 ext4）的代码。
内核通过驱动步伐访问硬件：文件数据从磁盘读取到内存。
返回数据到用户空间：内核通过体系调用返回读取的数据，终极被应用步伐接收。

Linux 体系结构的分层

+-------------------------+
| 用户空间 |
|-------------------------|
| 应用程序 (如 Bash, Vim) |
| 标准库 (如 glibc) |
| Shell 和系统工具 |
+-------------------------+
| 系统调用接口（SCI） |
+-------------------------+
| 内核空间 |
|-------------------------|
| 进程管理 | 内存管理 |
| 文件系统 | 网络子系统 |
| 设备驱动 | 系统调用表 |
+-------------------------+
| 硬件层 |
|-------------------------|
| CPU | 内存 | 硬盘 | NIC |
+-------------------------+

复制代码

Linux 的体系结构是一种模块化且条理化的计划。内核层负责管理硬件资源并提供统一接口，用户空间运行应用步伐和相关服务。通过清晰的分层计划，Linux 能够实现高效的资源管理和精良的扩展性。这种模块化计划使 Linux 成为一个功能强盛、机动可靠的操作体系，适用于从嵌入式设备到超级计算机的广泛场景。
而且，Linux内核是为特定硬件构建的。能够支持Linux的主要的CPU架构有：I386/ ARM/PPC/MIPS。
这里为各人提供一些下载内核的链接：
http://www.kernel.org (内核官方网站)
wget http://kernel.org/pub/linux/kernel/…
wget http://kernel.org/…/…/linux-*.bz2.sign
gpg –verify linux-2.xx.tar.bz2.sign
tar jxvf linux-2.xx.tar.bz2
ftp://166.111.8.229/ （教诲网内）
以上。仅供学习与分享交换，请勿用于商业用途！转载需提前说明。
我是一个十分热爱技能的步伐员，希望这篇文章能够对您有资助，也希望认识更多热爱步伐开辟的小搭档。
感谢！

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