第3章(1) Linux内核相关概念

Linux内核的组成

1. Linux内核源代码的目录结构

• arch：包含和硬件体系结构相关的代码，每种平台占一个相应的目录，如 i386、arm、
  arm64、powerpc、mips 等。Linux 内核目前已经支持30 种左右的体系结构。在arch
  目录下，存放的是各个平台以及各个平台的芯片对Linux 内核进程调度、内存管理、
  中断等的支持，以及每个具体的SoC 和电路板的板级支持代码。
• block：块设备驱动程序 I/O 调度。
• crypto：常用加密和散列算法（如 AES、SHA 等），还有一些压缩和 CRC 校验算法。
• documentation：内核各部分的通用解释和注释。
• drivers ：设备驱动程序，每个不同的驱动占用一个子目录，如 char、block、net、
  mtd、i2c 等。
• fs：所支持的各种文件系统，如 EXT、FAT、NTFS、JFFS2 等。
• include：头文件，与系统相关的头文件放置在 include/linux 子目录下。
• init：内核初始化代码。著名的 start_kernel() 就位于 init/main.c 文件中。
• ipc：进程间通信的代码。
• kernel ：内核最核心的部分，包括进程调度、定时器等，而和平台相关的一部分代码
  放在arch/*/kernel 目录下。
• lib：库文件代码。
• mm：内存管理代码，和平台相关的一部分代码放在 arch/*/mm 目录下。
• net：网络相关代码，实现各种常见的网络协议。
• scripts：用于配置内核的脚本文件。
• security：主要是一个 SELinux 的模块。
• sound：ALSA、OSS 音频设备的驱动核心代码和常用设备驱动。
• usr：实现用于打包和压缩的 cpio 等。
• include：内核 API 级别头文件。

2. Linux内核的组成部分
Linux内核主要由进程调度(SCHED)、内存管理(MM)、虚拟文件系统(VFS)、网络接口(NET)、和进程间通信(IPC) 五个子系统组成。Linux内核的组成部分与关系图如下：

• 进程调度和内存管理：这两个子系统相互依赖，因为程序运行必须创建进程，而创建进程的第一步就是将程序和数据装入内存。
• 进程间通信和内存管理：进程间通信依赖内存管理提供共享内存通信机制。
• 虚拟文件系统和网络接口：虚拟文件系统依赖网络接口支持网络文件系统(NFS)。
• 虚拟文件系统和内存管理：虚拟文件系统利用内存管理支持RAMDISk设备；内存管理利用虚拟文件系统支持交换。

2.1 进程调度
用于控制系统中多个进程对CPU的访问。内核中其他子系统都依赖于系统调度来实现挂起或恢复进程。进程状态转换图如下：

• R (TASK_RUNNING)，可执行状态&运行状态(在run_queue队列里的状态)
• S (TASK_INTERRUPTIBLE)，可中断的睡眠状态, 可处理signal
• D (TASK_UNINTERRUPTIBLE)，不可中断的睡眠状态,　可处理signal,　有延迟
• T (TASK_STOPPED or TASK_TRACED)，暂停状态或跟踪状态,　不可处理signal,　因为根本没有时间片运行代码
• Z (TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE)，退出状态，进程成为僵尸进程。不可被kill,　即不响应任务信号,　无法用SIGKILL杀死
• X (TASK_DEAD - EXIT_DEAD)，退出状态，进程即将被销毁

2.2 内存管理
主要作用是控制多个进程安全地共享主内存区域。当CPU提供内存管理单元(MMU)时，Linux内存管理对于每个进程完成从虚拟内存到物理内存的转换。

2.3 虚拟文件系统
Linux虚拟文件系统隐藏了各种硬件的具体细节，并未所有设备提供了统一的接口。并且，虚拟文件系统独立于具体的文件系统，是对各种文件系统的一个抽象。

2.4 网络接口
网络接口提供对网络标准的存取和网络硬件的支持。
Linux中网络接口可分为：

• 网络协议：负责实现网络传输协议
• 网络驱动程序：负责与硬件设备通信

2.5 进程间通信
Linux支持的进程间通信机制有：信号量、共享内存、消息队列、管道、UNIX域套接字等，这些机制协助多进程、多自资源的互斥访问、进程间的同步和消息传递。

3. Linux内核空间与用户空间
Linux只能通过系统调用和硬件中断完成从用户空间到内核空间的控制转移。