1.Linux 的體系結(jié)構(gòu)

User Space 是用戶空間即應(yīng)用程序執(zhí)行的地方。Kernel Space 是內(nèi)核空間，分為 3 層：① 最上層實(shí)系統(tǒng)調(diào)用接口，即內(nèi)核向用戶提供服務(wù)的接口，例如 io read 和 write。應(yīng)用程序通過軟件中斷后，調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核提供的功能。② 內(nèi)核程序。③ 最下層是體系結(jié)構(gòu)的代碼，通常稱為 BSP。

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Linux 內(nèi)核簡(jiǎn)介：
內(nèi)核是操作系統(tǒng)最基本的部分，提供了安全訪問計(jì)算機(jī)硬件的基本能力。這種訪問是有限的，并且內(nèi)核決定應(yīng)用程序在什么時(shí)候?qū)δ巢糠钟布僮鞫嚅L(zhǎng)時(shí)間。內(nèi)核負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

問題 1：內(nèi)核的實(shí)質(zhì)是什么？
答：內(nèi)核的實(shí)質(zhì)也是一種應(yīng)用程序，只不過它是直接操作硬件的。內(nèi)核直接面對(duì)硬件，調(diào)用硬件接口即硬件廠商提供的指令集。內(nèi)核是直接面向硬件的，故可用資源權(quán)限很大，但內(nèi)核是工作在有限地址空間內(nèi)的，例如 Linux 的32位系統(tǒng)在線性地址空間中，內(nèi)核只認(rèn)為自己有 1G 的空間，剩下的 3G 給用戶態(tài)的應(yīng)用程序。

說明：編寫內(nèi)核級(jí)應(yīng)用程序的時(shí)候，為了避免過于底層，因此內(nèi)核可以動(dòng)態(tài)編譯后，重啟加載該程序，例如驅(qū)動(dòng)程序通過動(dòng)態(tài)編譯生成可執(zhí)行文件，然后系統(tǒng)重啟后加載該驅(qū)動(dòng)就可以使用相應(yīng)的設(shè)備。

問題 2：從動(dòng)態(tài)角度如何分析 Linux 主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)
答：用戶態(tài)的應(yīng)用程序邏輯上是運(yùn)行在內(nèi)核，但實(shí)際是直接工作在硬件上的。簡(jiǎn)單來說，任意應(yīng)用程序數(shù)據(jù)都在內(nèi)存中，數(shù)據(jù)處理都是在 CPU，只是應(yīng)用程序不能隨意使用這些硬件資源，需要接受內(nèi)核的管理。當(dāng)用戶態(tài)的應(yīng)用程序需要訪問硬件資源時(shí)，首先通過系統(tǒng)調(diào)用接口向 CPU 發(fā)起特權(quán)請(qǐng)求，一旦 CPU 收到特權(quán)請(qǐng)求就會(huì)喚醒內(nèi)核，從而執(zhí)行內(nèi)核中的某段代碼，然后將結(jié)果返回給應(yīng)用程序。接著內(nèi)核代碼退出，內(nèi)核程序暫停。

問題 3：CPU 占用與內(nèi)核的關(guān)系
答：內(nèi)核將 CPU 虛擬化提供給進(jìn)程，使得內(nèi)存中每一個(gè)進(jìn)程都以為直接是獨(dú)占 CPU。內(nèi)核將 CPU 切成時(shí)間片，隨著時(shí)間流逝完成了在進(jìn)程之間分配計(jì)算能力，即內(nèi)核把 CPU 以時(shí)間的方式提供了計(jì)算能力。

2.內(nèi)核的整體架構(gòu)與子系統(tǒng)

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• Process Scheduler 進(jìn)程管理：負(fù)責(zé)管理 CPU 資源，使得讓各個(gè)進(jìn)程以時(shí)間片的方式使用 CPU 資源
• Memory Manager 內(nèi)存管理：負(fù)責(zé)管理 Memory（內(nèi)存）資源，是的各個(gè)進(jìn)程可以安全地共享機(jī)器的內(nèi)存資源。另外，內(nèi)存管理會(huì)提供虛擬內(nèi)存的機(jī)制，可以讓進(jìn)程使用多于系統(tǒng)可用的 Memory，不用的內(nèi)存會(huì)通過文件系統(tǒng)保存在外部非易失存儲(chǔ)器中，需要使用的時(shí)候再取回到內(nèi)存中。
• VFS（Virtual File System）虛擬文件系統(tǒng)：將不同功能的外部設(shè)備，例如 Disk 設(shè)備（硬盤、磁盤、NAND Flash、Nor Flash 等）、輸入輸出設(shè)備、顯示設(shè)備等，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。
• Network 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)多種多樣的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
• IPC（Inter-Process Communication）進(jìn)程間通信：不管理任何的硬件，主要負(fù)責(zé) Linux 系統(tǒng)中進(jìn)程之間的通信

2.1 Process Scheduler 進(jìn)程管理

進(jìn)程調(diào)度是 Linux 內(nèi)核中最重要的子系統(tǒng)，主要提供對(duì) CPU 的訪問控制。進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)的 4 個(gè)模塊，如下圖所示。

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• System Call Interface 系統(tǒng)調(diào)用接口：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(shí)屏蔽掉不需要用戶空間程序關(guān)心的細(xì)節(jié)。例如應(yīng)用程序的主進(jìn)程可以利用系統(tǒng)調(diào)用接口，創(chuàng)建、暫停和恢復(fù)子線程。
• Architecture-independent Scheduler 模塊：體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分，即與 CPU、內(nèi)存等硬件無關(guān)的模塊。它與 Scheduling Policy 模塊溝通決定接下來要執(zhí)行哪個(gè)進(jìn)程，最后通過 Architecture-specific Schedulers 模塊 resume 指定的進(jìn)程。
• Scheduling Policy 進(jìn)程調(diào)度策略：決定哪個(gè)或哪幾個(gè)的進(jìn)程將擁有 CPU 切片時(shí)間。
• Architecture-specific Schedulers 模塊：體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的部分，即與 CPU、內(nèi)存等硬件相關(guān)聯(lián)的模塊。將對(duì)不同 CPU 的控制抽象為統(tǒng)一的接口，主要在 suspend 和 resume 進(jìn)程時(shí)使用，牽涉到CPU的寄存器訪問、匯編指令操作等。

2.2 Memory Manager 內(nèi)存管理

內(nèi)存管理也是 Linux 內(nèi)核中最重要的子系統(tǒng)，主要提供對(duì)內(nèi)存資源的訪問控制。Linux 系統(tǒng)會(huì)在硬件物理內(nèi)存和進(jìn)程所使用的內(nèi)存（虛擬內(nèi)存）之間建立一種映射關(guān)系。這種映射是以進(jìn)程為單位，不同的進(jìn)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。內(nèi)存管理子系統(tǒng)包括 3 個(gè)子模塊，如下圖所示。

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• System Call Interface 系統(tǒng)調(diào)用接口：通過該接口向用戶態(tài)的應(yīng)用程序提供內(nèi)存的分配、釋放，文件的 map 等功能。
• Architecture-independent Scheduler 模塊：提供所有的內(nèi)存管理機(jī)制，包括以進(jìn)程為單位的 memory mapping、虛擬內(nèi)存的 Swapping 等。
• Architecture-specific Schedulers 模塊：提供用于訪問內(nèi)存硬件的虛擬接口。

2.3 VFS 虛擬文件系統(tǒng)

虛擬文件系統(tǒng) VFS 就是管理各種各樣的文件系統(tǒng)，屏蔽其差異，以統(tǒng)一的方式為用戶程序提供訪問文件的。VFS 子系統(tǒng)包括 6 個(gè)子模塊，如下圖所示。

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• System Independent Interface 模塊：負(fù)責(zé)以統(tǒng)一的接口表示硬件設(shè)備和邏輯文件系統(tǒng)，包括快設(shè)備和字符設(shè)備。
• Logical Systems 模塊：每一種文件系統(tǒng)都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè) Logical System 邏輯文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了具體的文件系統(tǒng)邏輯。
• Device Independent Interface 模塊：定義了硬件設(shè)備的統(tǒng)一方式即統(tǒng)一設(shè)備模型，所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)都遵守這個(gè)定義，可以降低開發(fā)的難度。
• Device Drivers 模塊：設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊用于控制所有的外部設(shè)備及控制器。由于存在大量不能相互兼容的硬件設(shè)備，特別是嵌入式產(chǎn)品，所以也有非常多的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。因此，Linux 內(nèi)核中將近一半的 Source Code 都是設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

2.4 Network 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)在 Linux 內(nèi)核中主要負(fù)責(zé)管理各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，最終實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)連接其它系統(tǒng)的功能，包括 5 個(gè)子模塊，如下圖所示。

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• Protocol Independent Interface 模塊：屏蔽不同的硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以相同的格式提供接口即 Socket
• Network Protocols 模塊：實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，例如 IP、TCP、UDP 等
• Device Independent Interface 模塊：定義了硬件設(shè)備的統(tǒng)一方式即統(tǒng)一設(shè)備模型，所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)都遵守這個(gè)定義，可以降低開發(fā)的難度。
• Network Device Drivers 模塊：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，類似 VFS 子系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

3.內(nèi)核源代碼的目錄結(jié)構(gòu)

Linux 內(nèi)核源代碼包括三個(gè)主要部分。

• 內(nèi)核核心代碼：上面所描述的各個(gè)子系統(tǒng)和子模塊，以及其它的支撐子系統(tǒng)，例如電源管理、Linux初始化等
• 其它非核心代碼：例如庫文件（因?yàn)長(zhǎng)inux內(nèi)核是一個(gè)自包含的內(nèi)核，即內(nèi)核不依賴其它的任何軟件，自己就可以編譯通過）、固件集合、KVM（虛擬機(jī)技術(shù)）等
• 編譯腳本、配置文件、幫助文檔、版權(quán)說明等輔助性文件

include/ ---- 內(nèi)核頭文件，需要提供給外部模塊（例如用戶空間代碼）使用。

kernel/ ---- Linux 內(nèi)核的核心代碼，包含了 2.1 小節(jié)所描述的進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)，以及和進(jìn)程調(diào)度相關(guān)的模塊

mm/ ---- 內(nèi)存管理子系統(tǒng) 2.2 小節(jié)

fs/ ---- VFS 子系統(tǒng) 2.3 小節(jié)。

net/ ---- 不包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng) 2.4 小節(jié)）。

ipc/ ---- IPC（進(jìn)程間通信）子系統(tǒng)。

arch// ---- 體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼，例如arm, x86等等。 
    arch//mach- ---- 具體的machine/board相關(guān)的代碼。 
    arch//include/asm ---- 體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的頭文件。 
    arch//boot/dts ---- 設(shè)備樹（Device Tree）文件。

init/ ---- Linux系統(tǒng)啟動(dòng)初始化相關(guān)的代碼。 
block/ ---- 提供塊設(shè)備的層次。 
sound/ ---- 音頻相關(guān)的驅(qū)動(dòng)及子系統(tǒng)，可以看作“音頻子系統(tǒng)”。 
drivers/ ---- 設(shè)備驅(qū)動(dòng)（在Linux kernel 3.10中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)占了49.4的代碼量）。

lib/ ---- 實(shí)現(xiàn)需要在內(nèi)核中使用的庫函數(shù)，例如CRC、FIFO、list、MD5等。 
crypto/ ----- 加密、解密相關(guān)的庫函數(shù)。 
security/ ---- 提供安全特性（SELinux）。 
virt/ ---- 提供虛擬機(jī)技術(shù)（KVM等）的支持。 
usr/ ---- 用于生成initramfs的代碼。 
firmware/ ---- 保存用于驅(qū)動(dòng)第三方設(shè)備的固件。

samples/ ---- 一些示例代碼。 
tools/ ---- 一些常用工具，如性能剖析、自測(cè)試等。

Kconfig, Kbuild, Makefile, scripts/ ---- 用于內(nèi)核編譯的配置文件、腳本等。

COPYING ---- 版權(quán)聲明。 
MAINTAINERS ----維護(hù)者名單。 
CREDITS ---- Linux主要的貢獻(xiàn)者名單。 
REPORTING-BUGS ---- Bug上報(bào)的指南。

Documentation, README ---- 幫助、說明文檔。