Linux內(nèi)核結構詳解

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    Linux內(nèi)核主要由五個子系統(tǒng)組成：進程調(diào)度，內(nèi)存管理，虛擬文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡接口，進程間通信。

    1.進程調(diào)度（SCHED）:控制進程對CPU的訪問。當需要選擇下一個進程運行時，由調(diào)度程序選擇最值得運行的進程?？蛇\行進程實際上是僅等待CPU資源的進程，如果某個進程在等待其它資源，則該進程是不可運行進程。Linux使用了比較簡單的基于優(yōu)先級的進程調(diào)度算法選擇新的進程。

    2.內(nèi)存管理（MM）允許多個進程安全的共享主內(nèi)存區(qū)域。Linux的內(nèi)存管理支持虛擬內(nèi)存，即在計算機中運行的程序，其代碼，數(shù)據(jù)，堆棧的總量可以超過實際內(nèi)存的大小，操作系統(tǒng)只是把當前使用的程序塊保留在內(nèi)存中，其余的程序塊則保留在磁盤中。必要時，操作系統(tǒng)負責在磁盤和內(nèi)存間交換程序塊。內(nèi)存管理從邏輯上分為硬件無關部分和硬件有關部分。硬件無關部分提供了進程的映射和邏輯內(nèi)存的對換；硬件相關的部分為內(nèi)存管理硬件提供了虛擬接口。

    3.虛擬文件系統(tǒng)（VirtualFileSystem,VFS）隱藏了各種硬件的具體細節(jié)，為所有的設備提供了統(tǒng)一的接口，VFS提供了多達數(shù)十種不同的文件系統(tǒng)。虛擬文件系統(tǒng)可以分為邏輯文件系統(tǒng)和設備驅(qū)動程序。邏輯文件系統(tǒng)指Linux所支持的文件系統(tǒng)，如ext2,fat等，設備驅(qū)動程序指為每一種硬件控制器所編寫的設備驅(qū)動程序模塊。

    4.網(wǎng)絡接口（NET）提供了對各種網(wǎng)絡標準的存取和各種網(wǎng)絡硬件的支持。網(wǎng)絡接口可分為網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡驅(qū)動程序。網(wǎng)絡協(xié)議部分負責實現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序負責與硬件設備通訊，每一種可能的硬件設備都有相應的設備驅(qū)動程序。

    5.進程間通訊(IPC) 支持進程間各種通信機制。

    處于中心位置的進程調(diào)度，所有其它的子系統(tǒng)都依賴它，因為每個子系統(tǒng)都需要掛起或恢復進程。一般情況下，當一個進程等待硬件操作完成時，它被掛起；當操作真正完成時，進程被恢復執(zhí)行。例如，當一個進程通過網(wǎng)絡發(fā)送一條消息時，網(wǎng)絡接口需要掛起發(fā)送進程，直到硬件成功地完成消息的發(fā)送，當消息被成功的發(fā)送出去以后，網(wǎng)絡接口給進程返回一個代碼，表示操作的成功或失敗。其他子系統(tǒng)以相似的理由依賴于進程調(diào)度。

    各個子系統(tǒng)之間的依賴關系如下：

    進程調(diào)度與內(nèi)存管理之間的關系：這兩個子系統(tǒng)互相依賴。在多道程序環(huán)境下，程序要運行必須為之創(chuàng)建進程，而創(chuàng)建進程的第一件事情，就是將程序和數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存。

    進程間通信與內(nèi)存管理的關系：進程間通信子系統(tǒng)要依賴內(nèi)存管理支持共享內(nèi)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，還可以存取共同的內(nèi)存區(qū)域。

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

    內(nèi)存管理與虛擬文件系統(tǒng)之間的關系：內(nèi)存管理利用虛擬文件系統(tǒng)支持交換，交換進程(swapd)定期由調(diào)度程序調(diào)度，這也是內(nèi)存管理依賴于進程調(diào)度的唯一原因。當一個進程存取的內(nèi)存映射被換出時，內(nèi)存管理向文件系統(tǒng)發(fā)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(nèi)核中的所有子系統(tǒng)還要依賴于一些共同的資源。這些資源包括所有子系統(tǒng)都用到的過程。例如：分配和釋放內(nèi)存空間的過程，打印警告或錯誤信息的過程，還有系統(tǒng)的調(diào)試例程等等。

    系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構

    在linux的內(nèi)核的實現(xiàn)中，有一些數(shù)據(jù)結構使用頻度較高，他們是：

    task_struct.

    Linux內(nèi)核利用一個數(shù)據(jù)結構（task_struct）代表一個進程，代表進程的數(shù)據(jù)結構指針形成了一個task數(shù)組(Linux中，任務和進程是相同的術語),這種指針數(shù)組有時也稱為指針向量。這個數(shù)組的大小由NR_TASKS(默認為512)，表明Linux系統(tǒng)中最多能同時運行的進程數(shù)目。當建立新進程的時候，Linux為新進程分配一個task_struct結構，然后將指針保存在task數(shù)組中。調(diào)度程序一直維護著一個current指針，他指向當前正在運行的進程。

    Mm_struct

    每個進程的虛擬內(nèi)存由一個mm_struct結構來代表，該結構實際上包含了當前執(zhí)行映像的有關信息，并且包含了一組指向vm_area_struct結構的指針，vm_area_struct結構描述了虛擬內(nèi)存的一個區(qū)域。

    Inode

    虛擬文件系統(tǒng)(VFS)中的文件、目錄等均由對應的索引節(jié)點(inode)代表。每個VFS索引節(jié)點中的內(nèi)容由文件系統(tǒng)專屬的例程提供。VFS索引節(jié)點只存在于內(nèi)核內(nèi)存中，實際保存于VFS的索引節(jié)點高速緩存中。如果兩個進程用相同的進程打開，則可以共享inade的數(shù)據(jù)結構，這種共享是通過兩個進程中數(shù)據(jù)塊指向相同的inode完成。

    Linux的具體結構

    所謂具體結構是指系統(tǒng)實現(xiàn)的結構。

    Linux的具體結構類似于抽象結構，這種對應性是因為抽象結構來源于具體結構，我們的劃分沒有嚴格依照源代碼的目錄結構，且和子系統(tǒng)的分組也不完全匹配，但是，它很接近源代碼的目錄結構。

    盡管前面的討論的抽象結構顯示了各個子系統(tǒng)之間只有很少的依賴關系，但是具體結構的5個子系統(tǒng)之間有高度的依賴關系。我們可以看出，具體結構中的很多依賴關系并沒有在抽象結構中出現(xiàn)。

    來源：《linux內(nèi)核分析》