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本篇文章給大家?guī)砹岁P(guān)于linux五大模塊內(nèi)核源碼的相關(guān)知識，其中包括了內(nèi)核整體架構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題，希望對大家有幫助。
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一、前言
本文是“linux內(nèi)核源碼分析”系列的專業(yè)，會(huì)以內(nèi)核的核心功能為出發(fā)點(diǎn)，描述Linux內(nèi)核的整體架構(gòu)，以及架構(gòu)之下主要的軟件子系統(tǒng)。之后，會(huì)介紹Linux內(nèi)核源文件的目錄結(jié)構(gòu)，并和各個(gè)軟件子系統(tǒng)對應(yīng)。
注：本文和其它的“Linux內(nèi)核分析”文章都基于如下約定：
a) 內(nèi)核版本為Linux 5.6.18，可以從下面的鏈接獲取：
https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.6.18.tar.xz
b) 鑒于嵌入式系統(tǒng)大多使用ARM處理器，因此涉及到體系結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)容，都以ARM為分析對象
二、 Linux內(nèi)核的核心功能
如下圖所示，Linux內(nèi)核只是Linux操作系統(tǒng)一部分。對下，它管理系統(tǒng)的所有硬件設(shè)備；對上，它通過系統(tǒng)調(diào)用，向Library Routine（例如C庫）或者其它應(yīng)用程序提供接口。
因此，其核心功能就是：管理硬件設(shè)備，供應(yīng)用程序使用。而現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（無論是PC還是嵌入式系統(tǒng)）的標(biāo)準(zhǔn)組成，就是CPU、Memory（內(nèi)存和外存）、輸入輸出設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和其它的外圍設(shè)備。所以為了管理這些設(shè)備，Linux內(nèi)核提出了如下的架構(gòu)。
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三、Linux內(nèi)核的整體架構(gòu)
3.1 整體架構(gòu)和子系統(tǒng)劃分
上圖說明了Linux內(nèi)核的整體架構(gòu)。根據(jù)內(nèi)核的核心功能，Linux內(nèi)核提出了5個(gè)子系統(tǒng)，分別負(fù)責(zé)如下的功能：
1. Process Scheduler，也稱作進(jìn)程管理、進(jìn)程調(diào)度。負(fù)責(zé)管理CPU資源，以便讓各個(gè)進(jìn)程可以以盡量公平的方式訪問CPU。
2. Memory Manager，內(nèi)存管理。負(fù)責(zé)管理Memory（內(nèi)存）資源，以便讓各個(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，該機(jī)制可以讓進(jìn)程使用多于系統(tǒng)可用Memory的內(nèi)存，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。
3. VFS（Virtual File System），虛擬文件系統(tǒng)。Linux內(nèi)核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。這就是Linux系統(tǒng)“一切皆是文件”的體現(xiàn)（其實(shí)Linux做的并不徹底，因?yàn)镃PU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)等還不是文件，如果真的需要一切皆是文件，還得看貝爾實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)的”Plan 9”的）。
4. Network，網(wǎng)絡(luò)子系統(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)。
5. IPC（Inter-Process Communication），進(jìn)程間通信。IPC不管理任何的硬件，它主要負(fù)責(zé)Linux系統(tǒng)中進(jìn)程之間的通信。
3.2 進(jìn)程調(diào)度（Process Scheduler)
進(jìn)程調(diào)度是Linux內(nèi)核中最重要的子系統(tǒng)，它主要提供對CPU的訪問控制。因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)中，CPU資源是有限的，而眾多的應(yīng)用程序都要使用CPU資源，所以需要“進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)”對CPU進(jìn)行調(diào)度管理。
進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)包括4個(gè)子模塊（見下圖），它們的功能如下：
1. Scheduling Policy，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程調(diào)度的策略，它決定哪個(gè)（或哪幾個(gè)）進(jìn)程將擁有CPU。
2. Architecture-specific Schedulers，體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的部分，用于將對不同CPU的控制，抽象為統(tǒng)一的接口。這些控制主要在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。
3. Architecture-independent Scheduler，體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分。它會(huì)和“Scheduling Policy模塊”溝通，決定接下來要執(zhí)行哪個(gè)進(jìn)程，然后通過“Architecture-specific Schedulers模塊”resume指定的進(jìn)程。
4. System Call Interface，系統(tǒng)調(diào)用接口。進(jìn)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(shí)屏蔽掉不需要用戶空間程序關(guān)心的細(xì)節(jié)。
3.3 內(nèi)存管理（Memory Manager, MM)
內(nèi)存管理同樣是Linux內(nèi)核中最重要的子系統(tǒng)，它主要提供對內(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（稱作虛擬內(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，因而不同的進(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（見下圖），它們的功能如下：
1. Architecture Specific Managers，體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分。提供用于訪問硬件Memory的虛擬接口。
2. Architecture Independent Manager，體系結(jié)構(gòu)無關(guān)部分。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。
3. System Call Interface，系統(tǒng)調(diào)用接口。通過該接口，向用戶空間程序應(yīng)用程序提供內(nèi)存的分配、釋放，文件的map等功能。
3.4 虛擬文件系統(tǒng)（Virtual Filesystem, VFS）
傳統(tǒng)意義上的文件系統(tǒng)，是一種存儲(chǔ)和組織計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的方法。它用易懂、人性化的方法（文件和目錄結(jié)構(gòu)），抽象計(jì)算機(jī)磁盤、硬盤等設(shè)備上冰冷的數(shù)據(jù)塊，從而使對它們的查找和訪問變得容易。因而文件系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，就是“存儲(chǔ)和組織數(shù)據(jù)的方法”，文件系統(tǒng)的表現(xiàn)形式，就是“從某個(gè)設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)和向某個(gè)設(shè)備寫入數(shù)據(jù)”。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，存儲(chǔ)和組織數(shù)據(jù)的方法也是在不斷進(jìn)步的，從而導(dǎo)致有多種類型的文件系統(tǒng)，例如FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3等等。而為了兼容，操作系統(tǒng)或者內(nèi)核，要以相同的表現(xiàn)形式，同時(shí)支持多種類型的文件系統(tǒng)，這就延伸出了虛擬文件系統(tǒng)（VFS）的概念。
VFS的功能就是管理各種各樣的文件系統(tǒng)，屏蔽它們的差異，以統(tǒng)一的方式，為用戶程序提供訪問文件的接口。
我們可以從磁盤、硬盤、NAND Flash等設(shè)備中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，因而最初的文件系統(tǒng)都是構(gòu)建在這些設(shè)備之上的。這個(gè)概念也可以推廣到其它的硬件設(shè)備，例如內(nèi)存、顯示器（LCD）、鍵盤、串口等等。
我們對硬件設(shè)備的訪問控制，也可以歸納為讀取或者寫入數(shù)據(jù)，因而可以用統(tǒng)一的文件操作接口訪問。Linux內(nèi)核就是這樣做的，除了傳統(tǒng)的磁盤文件系統(tǒng)之外，它還抽象出了設(shè)備文件系統(tǒng)、內(nèi)存文件系統(tǒng)等等。這些邏輯，都是由VFS子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
VFS子系統(tǒng)包括6個(gè)子模塊（見下圖），它們的功能如下：
1. Device Drivers，設(shè)備驅(qū)動(dòng)，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)，大多數(shù)的Linux底層工程師（特別是國內(nèi)的企業(yè)）都是在編寫或者維護(hù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，而無暇估計(jì)其它內(nèi)容（它們恰恰是Linux內(nèi)核的精髓所在）。
2. Device Independent Interface， 該模塊定義了描述硬件設(shè)備的統(tǒng)一方式（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。同時(shí)可以用一致的形勢向上提供接口。
3. Logical Systems，每一種文件系統(tǒng)，都會(huì)對應(yīng)一個(gè)Logical System（邏輯文件系統(tǒng)），它會(huì)實(shí)現(xiàn)具體的文件系統(tǒng)邏輯。
4. System Independent Interface，該模塊負(fù)責(zé)以統(tǒng)一的接口（快設(shè)備和字符設(shè)備）表示硬件設(shè)備和邏輯文件系統(tǒng)，這樣上層軟件就不再關(guān)心具體的硬件形態(tài)了。
5. System Call Interface，系統(tǒng)調(diào)用接口，向用戶空間提供訪問文件系統(tǒng)和硬件設(shè)備的統(tǒng)一的接口。
3.5 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（Net）
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。在Linux內(nèi)核中，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)幾乎是自成體系，它包括5個(gè)子模塊（見下圖），它們的功能如下：
1. Network Device Drivers，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，和VFS子系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)是一樣的。
2. Device Independent Interface，和VFS子系統(tǒng)中的是一樣的。
3. Network Protocols，實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，例如IP, TCP, udp等等。
4. Protocol Independent Interface，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（socket)。
5. System Call interface，系統(tǒng)調(diào)用接口，向用戶空間提供訪問網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一的接口。
至于IPC子系統(tǒng)，由于功能比較單純，這里就不再描述。
四、Linux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：
1. 內(nèi)核核心代碼，包括第3章所描述的各個(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
2. 其它非核心代碼，例如庫文件（因?yàn)長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
3. 編譯腳本、配置文件、幫助文檔、版權(quán)說明等輔助性文件
下圖r所示使用ls命令看到的內(nèi)核源代碼的頂層目錄結(jié)構(gòu)，具體描述如下。
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3.2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)（3.3小節(jié)）。 fs/?----?VFS子系統(tǒng)（3.4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)（3.5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。
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