【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

1. +-------------------------+
2. |       用户空间          |
3. |-------------------------|
4. | 应用程序 (如 Bash, Vim) |
5. | 标准库 (如 glibc)       |
6. | Shell 和系统工具        |
7. +-------------------------+
8. |   系统调用接口（SCI）   |
9. +-------------------------+
10. |       内核空间          |
11. |-------------------------|
12. | 进程管理 | 内存管理      |
13. | 文件系统 | 网络子系统    |
14. | 设备驱动 | 系统调用表    |
15. +-------------------------+
16. |       硬件层           |
17. |-------------------------|
18. | CPU | 内存 | 硬盘 | NIC |
19. +-------------------------+

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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