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行學(xué)習(xí)。

由于本文的目標(biāo) 是對 Linux 內(nèi)核進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,，因此本文不可能進行完整的介紹,。請使用指向其他內(nèi)容的鏈接進一步學(xué)習(xí)。

Linux 的簡短歷史

Linux 還是 GNU/Linux,？ 您可能已經(jīng)注意到 Linux 作為一個操作系統(tǒng)來說,，有時會稱為 “Linux”，有時卻稱為 “GNU/Linux”,。這背后的原因在于 Linux 實際上是操作系統(tǒng)的內(nèi)核,。使這個操作系統(tǒng)變得非常有用的大量應(yīng)用程序是 GNU 軟件。例如,，窗口系統(tǒng),、編譯器、各種 shell,、開發(fā)工具,、編輯器、實用工具以及內(nèi)核之外的其他應(yīng)用程序,，其中很多都是 GNU 軟件,。由于這個原因，很多人都認(rèn)為 “GNU/Linux” 更適合作為操作系統(tǒng)的名字,，而 “Linux” 則適合作為內(nèi)核的名字,。

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,。在計算機出現(xiàn)早期，程序員是使用硬件語言在裸硬件上進行開發(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上運行,。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）。

Linux 快速從一個個人項目進化成為一個全球數(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。

系統(tǒng)調(diào)用接口（SCI）的方法 實際上,，體系結(jié)構(gòu)可能并不像圖 2 所示的一樣清晰,。例如，處理系統(tǒng)調(diào)用（從用戶空間切換到內(nèi)核空間）的機制可能在各個體系結(jié)構(gòu)上都不相同,。提供了對虛擬化指令支持的新型 x86 中央處理單元（CPU）在這方面要比使用傳統(tǒng) int 80h 方法的老式 x86 處理器更加高效,。

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)核之間進行轉(zhuǎn)換的機制。這點非常重要,，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地址空間,。每個用戶空間的進程都使用自己的虛擬地址空間，而內(nèi)核則占用單獨的地址空間,。 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。 

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,，不過這里并不對此進行討論,。

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）的處理器上運行,，也可以在那些不提供 MMU 的處理器上運行,。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,。

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,。

系統(tǒng)調(diào)用接口

SCI 層提供了某些機制執(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,。

進程管理

內(nèi)核是什么,？ 如 圖 3 所示，內(nèi)核實際上僅僅是一個資源管理器,。不管被管理的資源是進程,、內(nèi)存還是硬件設(shè)備，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理并裁定多個競爭用戶對資源的訪問（既包括內(nèi)核空間也包括用戶空間）,。

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

進 程管理還包括處理活動進程之間共享 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）,。

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),?；叵胍幌拢琁nternet 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 很大程度上獨立于所運行的體系結(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。

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)核進行了修改,，稱為基于內(nèi)核的虛擬機（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)核之上運行,。除了運行 Linux 的其他實例之外,， Microsoft? Windows? 也可以進行虛擬化。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,。

本文對 Linux 內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)及其特性和功能進行了簡要介紹。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,。

參考資料

• 您可以參閱本文在 developerWorks 全球站點上的 英文原文 ,。
  
  
• GNU 站點 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,，可以擴展到很大數(shù)量的進程（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”（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,。
  
  
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