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簡介： ?Linux? 內(nèi)核是一個龐大而復(fù)雜的操作系統(tǒng)的核心，不過盡管龐大，但是卻采用子系統(tǒng)和分層的概念很好地進(jìn)行了組織。在本文中，您將探索 Linux 內(nèi)核的總體結(jié)構(gòu)，并學(xué)習(xí)一些主要的子系統(tǒng)和核心接口。您還可以通過其他 IBM 文章的鏈接更深入地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

由于本文的目標(biāo)是對 Linux 內(nèi)核進(jìn)行介紹并探索其體系結(jié)構(gòu)和主要組件，因此首先回顧一下 Linux 的簡短歷史，然后從較高的層次審視 Linux 內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)，最后介紹它的主要子系統(tǒng)。Linux 內(nèi)核具有超過 600 萬行的代碼，因此本文不可能進(jìn)行完整的介紹。請使用指向其他內(nèi)容的鏈接進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

Linux 的簡短歷史

盡管 Linux 絕對是最流行的開源操作系統(tǒng)，但是相對于其他操作系統(tǒng)的漫長歷史來說，Linux 的歷史非常短暫。在計算機(jī)出現(xiàn)早期，程序員是使用硬件語言在裸硬件上進(jìn)行開發(fā)的。缺少操作系統(tǒng)就意味著在某個時間只有一個應(yīng)用程序（和一個用戶）可以使用這些龐大而又昂貴的設(shè)備。早期的操作系統(tǒng)是在 20 世紀(jì) 50 年代開發(fā)的，用來提供簡單的開發(fā)體驗。包括為 IBM 701 開發(fā)的 General Motors Operating System（GMOS）和 North American Aviation 為 IBM 709 開發(fā)的 FORTRAN Monitor System（FMS）。

在 20 世紀(jì) 60 年代，MIT（Massachusetts Institute of Technology）和一些公司為 GE-645 開發(fā)了一個名為 Multics（Multiplexed Information and Computing Service）的實驗性的操作系統(tǒng)。這個操作系統(tǒng)的開發(fā)者之一 AT&T 后來退出了 Multics，并在 1970 年開發(fā)了自己的名為 Unics 的操作系統(tǒng)。與這個操作系統(tǒng)一同誕生的是 C 語言，C 語言就是為此而開發(fā)的，然后它們使用 C 語言對操作系統(tǒng)進(jìn)行了重寫，使操作系統(tǒng)開發(fā)具有可移植性。

二十年后，Andrew Tanenbaum 創(chuàng)建了一個微內(nèi)核版本的 UNIX?，名為 MINIX（代表 minimal UNIX），它可以在小型的個人計算機(jī)上運(yùn)行。這個開源操作系統(tǒng)在 20 世紀(jì) 90 年代激發(fā)了 Linus Torvalds 開發(fā) Linux 的靈感（請參看圖 1 所示）。

圖 1. 主要 Linux 內(nèi)核發(fā)行版簡史
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Linux 快速從一個個人項目進(jìn)化成為一個全球數(shù)千人參與的開發(fā)項目。對于 Linux 來說，最為重要的決策之一是采用 GPL（GNU General Public License）。在 GPL 保護(hù)之下，Linux 內(nèi)核可以防止商業(yè)使用，并且它還從 GNU 項目（Richard Stallman 開發(fā)，其源代碼要比 Linux 內(nèi)核大得多）的用戶空間開發(fā)受益。這允許使用一些非常有用的應(yīng)用程序，例如 GCC（GNU Compiler Collection）和各種 shell 支持。

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Linux 內(nèi)核簡介

現(xiàn)在讓我們從一個比較高的高度來審視一下 GNU/Linux 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。您可以從兩個層次上來考慮操作系統(tǒng)，如圖 2 所示。

圖 2. GNU/Linux 操作系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)
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最上面是用戶（或應(yīng)用程序）空間。這是用戶應(yīng)用程序執(zhí)行的地方。用戶空間之下是內(nèi)核空間，Linux 內(nèi)核正是位于這里。

GNU C Library （glibc）也在這里。它提供了連接內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用接口，還提供了在用戶空間應(yīng)用程序和內(nèi)核之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的機(jī)制。這點(diǎn)非常重要，因為內(nèi)核和用戶空間的應(yīng)用程序使用的是不同的保護(hù)地址空間。每個用戶空間的進(jìn)程都使用自己的虛擬地址空間，而內(nèi)核則占用單獨(dú)的地址空間。 更多信息，請參看? 參考資料 ?一節(jié)中的鏈接。

Linux 內(nèi)核可以進(jìn)一步劃分成 3 層。最上面是系統(tǒng)調(diào)用接口，它實現(xiàn)了一些基本的功能，例如? read ?和? write 。系統(tǒng)調(diào)用接口之下是內(nèi)核代碼，可以更精確地定義為獨(dú)立于體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)核代碼。這些代碼是 Linux 所支持的所有處理器體系結(jié)構(gòu)所通用的。在這些代碼之下是依賴于體系結(jié)構(gòu)的代碼，構(gòu)成了通常稱為 BSP（Board Support Package）的部分。這些代碼用作給定體系結(jié)構(gòu)的處理器和特定于平臺的代碼。

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Linux 內(nèi)核的屬性

在討論大型而復(fù)雜的系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)時，可以從很多角度來審視系統(tǒng)。體系結(jié)構(gòu)分析的一個目標(biāo)是提供一種方法更好地理解源代碼，這正是本文的目的。

Linux 內(nèi)核實現(xiàn)了很多重要的體系結(jié)構(gòu)屬性。在或高或低的層次上，內(nèi)核被劃分為多個子系統(tǒng)。Linux 也可以看作是一個整體，因為它會將所有這些基本服務(wù)都集成到內(nèi)核中。這與微內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)不同，后者會提供一些基本的服務(wù)，例如通信、I/O、內(nèi)存和進(jìn)程管理，更具體的服務(wù)都是插入到微內(nèi)核層中的。每種內(nèi)核都有自己的優(yōu)點(diǎn)，不過這里并不對此進(jìn)行討論。

隨著時間的流逝，Linux 內(nèi)核在內(nèi)存和 CPU 使用方面具有較高的效率，并且非常穩(wěn)定。但是對于 Linux 來說，最為有趣的是在這種大小和復(fù)雜性的前提下，依然具有良好的可移植性。Linux 編譯后可在大量處理器和具有不同體系結(jié)構(gòu)約束和需求的平臺上運(yùn)行。一個例子是 Linux 可以在一個具有內(nèi)存管理單元（MMU）的處理器上運(yùn)行，也可以在那些不提供 MMU 的處理器上運(yùn)行。Linux 內(nèi)核的 uClinux 移植提供了對非 MMU 的支持。更詳細(xì)信息請參看? 參考資料 ?一節(jié)的內(nèi)容。

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Linux 內(nèi)核的主要子系統(tǒng)

現(xiàn)在使用圖 3 中的分類說明 Linux 內(nèi)核的主要組件。

圖 3. Linux 內(nèi)核的一個體系結(jié)構(gòu)透視圖
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系統(tǒng)調(diào)用接口

SCI 層提供了某些機(jī)制執(zhí)行從用戶空間到內(nèi)核的函數(shù)調(diào)用。正如前面討論的一樣，這個接口依賴于體系結(jié)構(gòu)，甚至在相同的處理器家族內(nèi)也是如此。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。有關(guān)這個組件的更詳細(xì)信息可以在? 參考資料 ?一節(jié)中找到。

進(jìn)程管理

進(jìn)程管理的重點(diǎn)是進(jìn)程的執(zhí)行。在內(nèi)核中，這些進(jìn)程稱為 線程 ，代表了單獨(dú)的處理器虛擬化（線程代碼、數(shù)據(jù)、堆棧和 CPU 寄存器）。在用戶空間，通常使用 進(jìn)程 ?這個術(shù)語，不過 Linux 實現(xiàn)并沒有區(qū)分這兩個概念（進(jìn)程和線程）。內(nèi)核通過 SCI 提供了一個應(yīng)用程序編程接口（API）來創(chuàng)建一個新進(jìn)程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSIX] 函數(shù)），停止進(jìn)程（kill、exit），并在它們之間進(jìn)行通信和同步（signal 或者 POSIX 機(jī)制）。

進(jìn)程管理還包括處理活動進(jìn)程之間共享 CPU 的需求。內(nèi)核實現(xiàn)了一種新型的調(diào)度算法，不管有多少個線程在競爭 CPU，這種算法都可以在固定時間內(nèi)進(jìn)行操作。這種算法就稱為 O(1) 調(diào)度程序，這個名字就表示它調(diào)度多個線程所使用的時間和調(diào)度一個線程所使用的時間是相同的。 O(1) 調(diào)度程序也可以支持多處理器（稱為對稱多處理器或 SMP）。您可以在 ./linux/kernel 中找到進(jìn)程管理的源代碼，在 ./linux/arch 中可以找到依賴于體系結(jié)構(gòu)的源代碼。在? 參考資料 ?一節(jié)中可以了解有關(guān)這個算法的更多內(nèi)容。

內(nèi)存管理

內(nèi)核所管理的另外一個重要資源是內(nèi)存。為了提高效率，如果由硬件管理虛擬內(nèi)存，內(nèi)存是按照所謂的 內(nèi)存頁 ?方式進(jìn)行管理的（對于大部分體系結(jié)構(gòu)來說都是 4KB）。Linux 包括了管理可用內(nèi)存的方式，以及物理和虛擬映射所使用的硬件機(jī)制。

不過內(nèi)存管理要管理的可不止 4KB 緩沖區(qū)。Linux 提供了對 4KB 緩沖區(qū)的抽象，例如 slab 分配器。這種內(nèi)存管理模式使用 4KB 緩沖區(qū)為基數(shù)，然后從中分配結(jié)構(gòu)，并跟蹤內(nèi)存頁使用情況，比如哪些內(nèi)存頁是滿的，哪些頁面沒有完全使用，哪些頁面為空。這樣就允許該模式根據(jù)系統(tǒng)需要來動態(tài)調(diào)整內(nèi)存使用。

為了支持多個用戶使用內(nèi)存，有時會出現(xiàn)可用內(nèi)存被消耗光的情況。由于這個原因，頁面可以移出內(nèi)存并放入磁盤中。這個過程稱為 交換 ，因為頁面會被從內(nèi)存交換到硬盤上。內(nèi)存管理的源代碼可以在 ./linux/mm 中找到。

虛擬文件系統(tǒng)

虛擬文件系統(tǒng)（VFS）是 Linux 內(nèi)核中非常有用的一個方面，因為它為文件系統(tǒng)提供了一個通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和內(nèi)核所支持的文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層（請參看圖 4）。

圖 4. VFS 在用戶和文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層
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在 VFS 上面，是對諸如 open、close、read 和 write 之類的函數(shù)的一個通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系統(tǒng)抽象，它定義了上層函數(shù)的實現(xiàn)方式。它們是給定文件系統(tǒng)（超過 50 個）的插件。文件系統(tǒng)的源代碼可以在 ./linux/fs 中找到。

文件系統(tǒng)層之下是緩沖區(qū)緩存，它為文件系統(tǒng)層提供了一個通用函數(shù)集（與具體文件系統(tǒng)無關(guān)）。這個緩存層通過將數(shù)據(jù)保留一段時間（或者隨即預(yù)先讀取數(shù)據(jù)以便在需要是就可用）優(yōu)化了對物理設(shè)備的訪問。緩沖區(qū)緩存之下是設(shè)備驅(qū)動程序，它實現(xiàn)了特定物理設(shè)備的接口。

網(wǎng)絡(luò)堆棧

網(wǎng)絡(luò)堆棧在設(shè)計上遵循模擬協(xié)議本身的分層體系結(jié)構(gòu)。回想一下，Internet Protocol (IP) 是傳輸協(xié)議（通常稱為傳輸控制協(xié)議或 TCP）下面的核心網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。TCP 上面是 socket 層，它是通過 SCI 進(jìn)行調(diào)用的。

socket 層是網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn) API，它為各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了一個用戶接口。從原始幀訪問到 IP 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），再到 TCP 和 User Datagram Protocol (UDP)，socket 層提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法來管理連接，并在各個終點(diǎn)之間移動數(shù)據(jù)。內(nèi)核中網(wǎng)絡(luò)源代碼可以在 ./linux/net 中找到。

設(shè)備驅(qū)動程序

Linux 內(nèi)核中有大量代碼都在設(shè)備驅(qū)動程序中，它們能夠運(yùn)轉(zhuǎn)特定的硬件設(shè)備。Linux 源碼樹提供了一個驅(qū)動程序子目錄，這個目錄又進(jìn)一步劃分為各種支持設(shè)備，例如 Bluetooth、I2C、serial 等。設(shè)備驅(qū)動程序的代碼可以在 ./linux/drivers 中找到。

依賴體系結(jié)構(gòu)的代碼

盡管 Linux 很大程度上獨(dú)立于所運(yùn)行的體系結(jié)構(gòu)，但是有些元素則必須考慮體系結(jié)構(gòu)才能正常操作并實現(xiàn)更高效率。./linux/arch 子目錄定義了內(nèi)核源代碼中依賴于體系結(jié)構(gòu)的部分，其中包含了各種特定于體系結(jié)構(gòu)的子目錄（共同組成了 BSP）。對于一個典型的桌面系統(tǒng)來說，使用的是 i386 目錄。每個體系結(jié)構(gòu)子目錄都包含了很多其他子目錄，每個子目錄都關(guān)注內(nèi)核中的一個特定方面，例如引導(dǎo)、內(nèi)核、內(nèi)存管理等。這些依賴體系結(jié)構(gòu)的代碼可以在 ./linux/arch 中找到。

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Linux 內(nèi)核的一些有用特性

如果 Linux 內(nèi)核的可移植性和效率還不夠好，Linux 還提供了其他一些特性，它們無法劃分到上面的分類中。

作為一個生產(chǎn)操作系統(tǒng)和開源軟件，Linux 是測試新協(xié)議及其增強(qiáng)的良好平臺。Linux 支持大量網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括典型的 TCP/IP，以及高速網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展（大于 1 Gigabit Ethernet [GbE] 和 10 GbE）。Linux 也可以支持諸如流控制傳輸協(xié)議（SCTP）之類的協(xié)議，它提供了很多比 TCP 更高級的特性（是傳輸層協(xié)議的接替者）。

Linux 還是一個動態(tài)內(nèi)核，支持動態(tài)添加或刪除軟件組件。被稱為動態(tài)可加載內(nèi)核模塊，它們可以在引導(dǎo)時根據(jù)需要（當(dāng)前特定設(shè)備需要這個模塊）或在任何時候由用戶插入。

Linux 最新的一個增強(qiáng)是可以用作其他操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng)（稱為系統(tǒng)管理程序）。最近，對內(nèi)核進(jìn)行了修改，稱為基于內(nèi)核的虛擬機(jī)（KVM）。這個修改為用戶空間啟用了一個新的接口，它可以允許其他操作系統(tǒng)在啟用了 KVM 的內(nèi)核之上運(yùn)行。除了運(yùn)行 Linux 的其他實例之外， Microsoft? Windows? 也可以進(jìn)行虛擬化。惟一的限制是底層處理器必須支持新的虛擬化指令。更多信息請參看 參考資料 ?一節(jié)的內(nèi)容。

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結(jié)束語

本文對 Linux 內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)及其特性和功能進(jìn)行了簡要介紹。有關(guān)內(nèi)核的詳細(xì)內(nèi)容，可以參考每個 Linux 發(fā)行版中附帶的 Documentation 目錄。請一定查看本文末尾的? 參考資料 ?一節(jié)，了解有關(guān)本文中所討論主題的更詳細(xì)信息。

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參考資料

學(xué)習(xí)

• 您可以參閱本文在 developerWorks 全球站點(diǎn)上的? 英文原文 ?。
  
  
• GNU 站點(diǎn) ?介紹了 GNU GPL，它涵蓋了 Linux 內(nèi)核及其附帶的大量有用的應(yīng)用程序。另外還介紹了一個比 GPL 限制更少的許可 Lesser GPL （LGPL）。
  
  
• UNIX 、? MINIX ?和? Linux ?在 Wikipedia 上都有介紹，另外還詳細(xì)介紹了操作系統(tǒng)系列。
  
  
• GNU C Library ，即 glibc，是標(biāo)準(zhǔn) C 庫的實現(xiàn)。它用于 GNU/Linux 操作系統(tǒng)，也可用于? GNU/Hurd ?微內(nèi)核操作系統(tǒng)。?
  
  
• uClinux ?是 Linux 內(nèi)核的一個移植，它可以在一些缺少 MMU 的系統(tǒng)上執(zhí)行。這允許 Linux 內(nèi)核在很小的嵌入式平臺上運(yùn)行，例如 PalmPilot PalmPilot Personal Digital Assistants (PDAs) 上使用的 Motorola DragonBall 處理器。?
  
  
• “ 使用 Linux 系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)核命令 ”（developerWorks，2007 年 3 月）對 SCI 進(jìn)行了介紹，這是 Linux 內(nèi)核中非常重要的一層，具有 glibc 的用戶空間支持，可以在用戶空間和內(nèi)核之間啟用函數(shù)調(diào)用。?
  
  
• “ Linux 調(diào)度器內(nèi)幕 ”（developerWorks，2006 年 6 月）介紹了 Linux 2.6 中引入的新 O(1) 調(diào)度程序，這是一個非常高效的算法，可以擴(kuò)展到很大數(shù)量的進(jìn)程（線程），并且可以利用 SMP 系統(tǒng)。?
  
  
• “ 使用 /proc 文件系統(tǒng)來訪問 Linux 內(nèi)核的內(nèi)容 ”（developerWorks，2006 年 3 月）介紹了 /proc 文件系統(tǒng)，這是一個虛擬文件系統(tǒng)，為用戶空間的應(yīng)用程序提供了一種全新的方法與內(nèi)核進(jìn)行通信。這篇文章展示了 /proc 以及可加載內(nèi)核模塊。
  
  
• “ 服務(wù)器診所: 使虛擬文件系統(tǒng)工作 ”（developerWorks，2003 年 4 月）深入介紹了 VFS 層，它允許 Linux 通過一個通用接口支持各種不同的文件系統(tǒng)。這個相同的接口也可以用于其他類型的設(shè)備，例如 socket。
  
  
• “ Linux 引導(dǎo)過程內(nèi)幕 ”（developerWorks，2006 年 5 月）介紹了 Linux 的引導(dǎo)過程，該過程將啟動一個 Linux 系統(tǒng)，并且不管是從硬盤、軟盤、USB 內(nèi)存條還是通過網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)系統(tǒng)，該過程是相同的。
  
  
• “ Linux 初始 RAM 磁盤（initrd）概述 ”（developerWorks，2006 年 7 月）介紹了初始 RAM 磁盤，它將引導(dǎo)過程與所引導(dǎo)的物理介質(zhì)隔離開來。
  
  
• “ 使用 SCTP 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò) ”（developerWorks，2006 年 2 月）介紹了一種非常有用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：流控制傳輸協(xié)議，它的操作與 TCP 類似，但是增加了很多有用的特性，例如消息傳遞、 多宿主和多流。如果您對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議感興趣，那么 Linux 與 BSD 一樣，都是一種非常好的操作系統(tǒng)。
  
  
• “ Linux slab 分配器詳解 ” （developerWorks，2007 年 5 月）介紹了 Linux 內(nèi)存管理中最有用的一個工具：slab 分配器。這種機(jī)制源自于 SunOS，不過它在 Linux 內(nèi)核中找到了合適的位置。
  
  
• “ 虛擬 Linux ”（developerWorks，2006 年 12 月）介紹了 Linux 是如何充分利用具有虛擬化能力的處理器。
  
  
• “ Linux 和對稱多處理 ”（developerWorks，2007 年 3 月）討論了 Linux 怎樣利用提供芯片級多處理能力的芯片。
  
  
• “ 探索 Linux 內(nèi)核虛擬機(jī) ”（developerWorks，2007 年 4 月）介紹了最近引入內(nèi)核的虛擬化技術(shù)，它可以將 Linux 內(nèi)核轉(zhuǎn)換成其他虛擬化的操作系統(tǒng)的系統(tǒng)管理程序。
  
  
• 有關(guān)在用戶空間對 Linux 進(jìn)行編程的更多信息，請參考 Tim 撰寫的? GNU/Linux Application Programming ? 一書。
  
  
• 在? developerWorks Linux 專區(qū) ?中可找到適合 Linux 開發(fā)人員的更多資源，包括? Linux 教程 ?以及上月? 讀者最喜歡的 Linux 文章和教程 。?
  
  
• 隨時關(guān)注? developerWorks 技術(shù)活動和網(wǎng)絡(luò)廣播 。
  
  

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