Linux 內(nèi)核，這個經(jīng)常聽見，卻不不知道它具體是干嘛的東西，是不是覺得非常神秘?

Linux 內(nèi)核看不見摸不著，而對于這類東西，我們經(jīng)常無從下手。本文就以淺顯易懂的語言，帶你鉆進 Linux 內(nèi)核，看它到底長啥樣。

內(nèi)核是 Linux 操作系統(tǒng)的核心組件，它向上連接應(yīng)用程序，向下直接與硬件打交道。其代碼主要由 C 語言及少量匯編語言寫成，并且它可以適配多種多樣不同的硬件架構(gòu)。

內(nèi)核并發(fā)運行著一系列的進程，并管理著硬件的各種資源。具體來講，因為系統(tǒng)的資源有限，內(nèi)核就為各個進程分配著諸如 CPU 時間、內(nèi)存空間、網(wǎng)絡(luò)連接等各方面的資源。

Linux 操作系統(tǒng)架構(gòu)

下圖是一個典型的 Linux 操作系統(tǒng)架構(gòu)圖。

Linux 操作系統(tǒng)主要分成兩部分：

• 用戶空間
• 內(nèi)核空間

1. 用戶空間

所有的用戶應(yīng)用程序都是在用戶空間運行，它們不能直接訪問內(nèi)存等硬件資源，而是間接通過內(nèi)核來訪問。GNU C 庫(glibc)提供了從用戶空間切換至內(nèi)核空間的機制。

2. 內(nèi)核空間

內(nèi)核直接管理著系統(tǒng)的 CPU、內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和其它的外圍設(shè)備，它被分為不同模塊來管理系統(tǒng)的不同操作，比如：文件管理，內(nèi)存管理，進程管理等等。

用戶空間的應(yīng)用程序可以通過調(diào)用內(nèi)核提供的 API 來訪問硬件資源。比如，對于文件操作，我們可以調(diào)用 open() ，read() ，write() 等接口。

內(nèi)核直接管理著硬件，又與硬件相互獨立，它可以通過簡單配置然后運行在 Intel，ARM ，Atemel 等芯片架構(gòu)上。

Linux 內(nèi)核主要子系統(tǒng)

根據(jù)內(nèi)核的核心功能，Linux 內(nèi)核提出了 5 個子系統(tǒng)，分別為：系統(tǒng)調(diào)用、進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理，如下圖示：

1. 系統(tǒng)調(diào)用(System Call Interface)

系統(tǒng)調(diào)用接口。進程調(diào)度子系統(tǒng)通過系統(tǒng)調(diào)用接口，將需要提供給用戶空間的接口開放出去，同時屏蔽掉不需要用戶空間程序關(guān)心的細節(jié)。

SCI 實際上是一個非常有用的函數(shù)調(diào)用多路復(fù)用和多路分解服務(wù)。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實現(xiàn)，并在 ./linux/arch 中找到依賴于體系結(jié)構(gòu)的部分。

2. 進程管理(Process Management)

用戶空間有那么多進程，如何讓他們有條不紊地進行著正是進程管理所要做的事。每個進程都要使用到 CPU 資源(如 CPU ，內(nèi)存)，但 CPU 資源畢竟有限，不可能讓某個進程一進獨占著資源。

因此，進程管理就充當(dāng)著管理員的角色，它調(diào)度著所有的進程，當(dāng)需要選擇下一進程運行時，會由調(diào)度算法來選擇最需要運行的進程。如果某個進程在等待其它硬件資源，則它就會被掛起。

因此，通過一系列的調(diào)度算法，內(nèi)核盡可能地公平地讓各個進程使用到 CPU 資源。

3. 內(nèi)存管理(Memory Management)

內(nèi)存管理主要提供對內(nèi)存資源的訪問控制，以便讓各個進程可以安全地共享機器的內(nèi)存資源。它提供了物理內(nèi)存與虛擬內(nèi)存的一種映射關(guān)系，因而不同的進程可以使用相同的虛擬內(nèi)存，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。這個映射關(guān)系主要由 MMU 來完成。

另外，內(nèi)存管理會提供虛擬內(nèi)存的機制，該機制可以讓進程使用多于系統(tǒng)可用的內(nèi)存，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。

4. 虛擬文件系統(tǒng)(Virtual File System)

內(nèi)核隱藏了不同功能的外部設(shè)備，例如硬盤、輸入輸出設(shè)備、顯示設(shè)備等等的具體細節(jié)，將它們抽象為可以通過統(tǒng)一的文件操作接口(open、close、read、write等)來訪問，也就是我們所熟知的「一切皆文件」。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，歷史上出現(xiàn)了多種文件系統(tǒng)，比如：FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3 等等。為了兼容這些文件系統(tǒng)，內(nèi)核將它們抽象為統(tǒng)一的表現(xiàn)形式，這就是虛擬文件系統(tǒng)的概念。

虛擬文件系統(tǒng)可分為邏輯文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動程序。邏輯文件系統(tǒng)指 Linux 所支持的文件系統(tǒng)，如ext2, fat等，設(shè)備驅(qū)動程序指為每一種硬件控制器所編寫的設(shè)備驅(qū)動程序模塊。

5. 網(wǎng)絡(luò)管理(Network Stack)

網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)在 Linux 內(nèi)核中主要負責(zé)管理各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，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。

網(wǎng)絡(luò)接口提供了對各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的存取和各種網(wǎng)絡(luò)硬件的支持。網(wǎng)絡(luò)接口可分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序兩部分。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分負責(zé)實現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序負責(zé)與硬件設(shè)備進行通信，每一種可能的硬件設(shè)備都有相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。

小結(jié)

以上就是 Linux 內(nèi)核的一些很基礎(chǔ)的知識，對于內(nèi)核的學(xué)習(xí)還有非常多的內(nèi)容，決不是一篇文章能夠?qū)懲甑摹Ｋ裕瑢τ趦?nèi)核的學(xué)習(xí)，需要多看書，多看視頻，并自己動手去實踐，才能真正掌握。

本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號「良許Linux」。良許，世界500強外企Linux開發(fā)工程師，公眾號里分享大量Linux干貨，歡迎關(guān)注!