本教程操作環境：Ubuntu 16.04系統、Dell G3電腦。

內核：

在計算機科學中是一個用來管理軟件發出的數據I/O（輸入與輸出）要求的計算機程序，將這些要求轉譯為數據處理的指令并交由中央處理器（CPU）及計算機中其他電子組件進行處理，是現代操作系統中最基本的部分。它是為眾多應用程序提供對計算機硬件的安全訪問的一部分軟件，這種訪問是有限的，并由內核決定一個程序在什么時候對某部分硬件操作多長時間。直接對硬件操作是非常復雜的。所以內核通常提供一種硬件抽象的方法，來完成這些操作。通過進程間通信機制及系統調用，應用進程可間接控制所需的硬件資源（特別是處理器及IO設備）。

linux內核的子系統有哪些

Linux內核主要由進程調度（SCHED）、內存管理（MM）、虛擬文件系統（VFS）、網絡接口（NET）和進程間通信（IPC）5個子系統組成，如下圖所示。

1、進程調度

進程調度控制系統中的多個進程對CPU的訪問，使得多個進程能在CPU中“微觀串行，宏觀并行”地執行。進程調度處于系統的中心位置，內核中其他的子系統都依賴它，因為每個子系統都需要掛起或恢復進程。

如下圖所示，Linux的進程在幾個狀態間進行切換。

Linux進程狀態轉換

在設備驅動編程中，當請求的資源不能得到滿足時，驅動一般會調度其他進程執行，并使本進程進入睡眠狀態，直到它請求的資源被釋放，才會被喚醒而進入就緒狀態。睡眠分成可中斷的睡眠和不可中斷的睡眠，兩者的區別在于可中斷的睡眠在收到信號的時候會醒。

完全處于TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態的進程甚至都無法被“殺死”，所以Linux 2.6.26之后的內核也存在一種TASK_KILLABLE的狀態，它等于“TASK_WAKEKILL|TASK_UNINTERRUPTIBLE”，可以響應致命信號。

在Linux內核中，使用task_struct結構體（include/linux/sched.h）來描述進程，該結構體中包含描述該進程內存資源、文件系統資源、文件資源、tty資源、信號處理等的指針。Linux的線程采用輕量級進程模型來實現，在用戶空間通過pthread_create（）API創建線程的時候，本質上內核只是創建了一個新的task_struct，并將新task_struct的所有資源指針都指向創建它的那個task_struct的資源指針。

絕大多數進程（以及進程中的多個線程）是由用戶空間的應用創建的，當它們存在底層資源和硬件訪問的需求時，會通過系統調用進入內核空間。有時候，在內核編程中，如果需要幾個并發執行的任務，可以啟動內核線程，這些線程沒有用戶空間。啟動內核線程的函數為：pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags);

2、內存管理

內存管理的主要作用是控制多個進程安全地共享主內存區域。當CPU提供內存管理單元（MMU）時，Linux內存管理對于每個進程完成從虛擬內存到物理內存的轉換。Linux 2.6引入了對無MMU CPU的支持。

如圖所示，一般而言，32位處理器的Linux的每個進程享有4GB的內存空間，0~3GB屬于用戶空間，3~4GB屬于內核空間，內核空間對常規內存、I/O設備內存以及高端內存有不同的處理方式。內核空間和用戶空間的具體界限是可以調整的，在內核配置選項Kernel Features→Memory split下，可以設置界限為2GB或者3GB。

Linux進程地址空間

如上圖所示，Linux內核的內存管理總體比較龐大，包含底層的Buddy（伙伴）算法，它用于管理每個頁的占用情況，內核空間的slab分配器以及用戶空間的C庫的二次管理。另外，內核也提供了頁緩存的支持，用內存來緩存磁盤，per backing device info flusher線程用于刷回臟的頁緩存到磁盤。Kswapd（交換進程）則是Linux中用于頁面回收（包括file-backed的頁和匿名頁）的內核線程，它采用最近最少使用（LRU）算法進行內存回收。

3、虛擬文件系統

如圖所示，

Linux虛擬文件系統

Linux虛擬文件系統隱藏了各種硬件的具體細節，為所有設備提供了統一的接口。而且，它獨立于各個具體的文件系統，是對各種文件系統的一個抽象。它為上層的應用程序提供了統一的vfs_read（）、vfs_write（）等接口，并調用具體底層文件系統或者設備驅動中實現的file_operations結構體的成員函數。

4、網絡接口

網絡接口提供了對各種網絡標準的存取和各種網絡硬件的支持。如圖3.8所示，在Linux中網絡接口可分為網絡協議和網絡驅動程序，網絡協議部分負責實現每一種可能的網絡傳輸協議，網絡設備驅動程序負責與硬件設備通信，每一種可能的硬件設備都有相應的設備驅動程序。

Linux網絡體系結構

Linux內核支持的協議棧種類較多，如Internet、UNIX、CAN、NFC、Bluetooth、WiMAX、IrDA等，上層的應用程序統一使用套接字接口。

5、進程間通信

進程間通信支持進程之間的通信，Linux支持進程間的多種通信機制，包含信號量、共享內存、消息隊列、管道、UNIX域套接字等，這些機制可協助多個進程、多資源的互斥訪問、進程間的同步和消息傳遞。在實際的Linux應用中，人們更多地趨向于使用UNIX域套接字，而不是System V IPC中的消息隊列等機制。Android內核則新增了Binder進程間通信方式。

Linux內核5個組成部分之間的依賴關系如下：

• 進程調度與內存管理之間的關系：這兩個子系統互相依賴。在多程序環境下，程序要運行，則必須為之創建進程，而創建進程的第一件事情，就是將程序和數據裝入內存。

• 進程間通信與內存管理的關系：進程間通信子系統要依賴內存管理支持共享內存通信機制，這種機制允許兩個進程除了擁有自己的私有空間之外，還可以存取共同的內存區域。

• 虛擬文件系統與網絡接口之間的關系：虛擬文件系統利用網絡接口支持網絡文件系統（NFS），也利用內存管理支持RAMDISK設備。

• 內存管理與虛擬文件系統之間的關系：內存管理利用虛擬文件系統支持交換，交換進程定期由調度程序調度，這也是內存管理依賴于進程調度的原因。當一個進程存取的內存映射被換出時，內存管理向虛擬文件系統發出請求，同時，掛起當前正在運行的進程。

除了這些依賴關系外，內核中的所有子系統還要依賴于一些共同的資源。這些資源包括所有子系統都用到的API，如分配和釋放內存空間的函數、輸出警告或錯誤消息的函數及系統提供的調試接口等。

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總結

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