linux内核整体架构分析笔记

一、整体架构与子系统划分

在这里插入图片描述
根据内核的核心功能， Linux 内核划分为 5 个子系统：

Process Scheduler，也称作进程管理、进程调度：负责管理 CPU 资源，以便让各个进程可以以尽量公平的方式访问 CPU。
Memory Manager，内存管理：负责管理 Memory（内存）资源，以便让各个进程可以安全地共享机器的内存资源。另外，内存管理会提供虚拟内存的机制，该机制可以让进程使用多于系统可用 Memory 的内存，不用的内存会通过文件系统保存在外部非易失存储器中，需要使用的时候，再取回到内存中。
VFS（ Virtual File System），虚拟文件系统： Linux 内核将不同功能的外部设备，例如Disk 设备（硬盘、磁盘、 NAND Flash、 Nor Flash 等）、输入输出设备、显示设备等等，抽象为可以通过统一的文件操作接口（ open、 close、 read、 write 等）来访问。这就是 Linux系统“ 一切皆是文件” 的体现（其实 Linux 做的并不彻底，因为 CPU、内存、网络等还不是文件，如果真的需要一切皆是文件）。
设备驱动：负责管理第三方设备接入/终端。
Network，网络子系统：负责管理系统的网络设备，并实现多种多样的网络标准。

二、进程调度（Process Scheduler）

进程调度是linux内核最重要的子系统，它主要提供对CPU的访问控制。因为在计算机中，CPU资源是有限的，而众多的应用程序都需要使用CPI资源，因此需要”进程调度子系统“对CPU进行调度管理。

进程调度子系统包括4个子模块，功能如下：
在这里插入图片描述

Scheduling Policy，实现进程调度的策略，它决定哪个（或哪几个）进程将拥有 CPU。
Architecture-specific Schedulers，体系结构相关的部分，用于将对不同 CPU 的控制，抽象为统一的接口。这些控制主要在 suspend 和 resume 进程时使用，牵涉到 CPU 的寄存器访问、汇编指令操作等。
Architecture-independent Scheduler，体系结构无关的部分。它会和“SchedulingPolicy 模块” 沟通，决定接下来要执行哪个进程，然后通过“Architecture-specificSchedulers 模块”resume 指定的进程。
System Call Interface，系统调用接口。进程调度子系统通过系统调用接口，将需要提供给用户空间的接口开放出去，同时屏蔽掉不需要用户空间程序关心的细节。

三、内存管理（ Memory Manager, MM）

内存管理同样是 Linux 内核中最重要的子系统，它主要提供对内存资源的访问控制。 Linux 系统会在硬件物理内存和进程所使用的内存（称作虚拟内存）之间建立一种映射关系，这种映射是以进程为单位，因而不同的进程可以使用相同的虚拟内存，而这些相同的虚拟内存，可以映射到不同的物理内存上。

内存管理子系统包括 3 个子模块（见下图），它们的功能如下：
在这里插入图片描述

Architecture Specific Managers，体系结构相关部分。提供用于访问硬件 Memory 的虚拟接口。
Architecture Independent Manager，体系结构无关部分。提供所有的内存管理机制，包括：以进程为单位的 memory mapping；虚拟内存的 Swapping。
System Call Interface，系统调用接口。通过该接口，向用户空间程序应用程序提供内存的分配、释放，文件的 map 等功能。

四、虚拟文件系统（ Virtual Filesystem, VFS）

传统意义上的文件系统，是一种存储和组织计算机数据的方法。它用易懂、人性化的方法（文件和目录结构），抽象计算机磁盘、硬盘等设备上冰冷的数据块，从而使对它们的查找和访问变得容易。因而文件系统的实质，就是“存储和组织数据的方法”，文件系统的表现形式，就是“从某个设备中读取数据和向某个设备写入数据”。

随着计算机技术的进步，存储和组织数据的方法也是在不断进步的，从而导致有多种类型的文件系统，例如 FAT、 FAT32、 NTFS、 EXT2、 EXT3 等等。而为了兼容，操作系统或者内核，要以相同的表现形式，同时支持多种类型的文件系统，这就延伸出了虚拟文件系统（ VFS）的概念。 VFS 的功能就是管理各种各样的文件系统，屏蔽它们的差异，以统一的方式，为用户程序提供访问文件的接口。

我们可以从磁盘、硬盘、 NAND Flash 等设备中读取或写入数据，因而最初的文件系统都是构建在这些设备之上的。这个概念也可以推广到其它的硬件设备，例如内存、显示器（ LCD）、键盘、串口等等。我们对硬件设备的访问控制，也可以归纳为读取或者写入数据，因而可以用统一的文件操作接口访问。 Linux 内核就是这样做的，除了传统的磁盘文件系统之外，它还抽象出了设备文件系统、内存文件系统等等。这些逻辑，都是由 VFS 子系统实现。

VFS 子系统包括 6 个子模块（见下图），它们的功能如下：
在这里插入图片描述

Device Drivers，设备驱动，用于控制所有的外部设备及控制器。由于存在大量不能相互兼容的硬件设备（特别是嵌入式产品），所以也有非常多的设备驱动。因此， Linux 内核中将近一半的 Source Code 都是设备驱动，大多数的 Linux 底层工程师（特别是国内的企业）都是在编写或者维护设备驱动，而无暇估计其它内容（它们恰恰是 Linux 内核的精髓所在）。
Device Independent Interface，该模块定义了描述硬件设备的统一方式（统一设备模型），所有的设备驱动都遵守这个定义，可以降低开发的难度。同时可以用一致的形势向上提供接口。
Logical Systems，每一种文件系统，都会对应一个 Logical System（逻辑文件系统），它会实现具体的文件系统逻辑。
System Independent Interface，该模块负责以统一的接口（快设备和字符设备）表示硬件设备和逻辑文件系统，这样上层软件就不再关心具体的硬件形态了。
System Call Interface，系统调用接口，向用户空间提供访问文件系统和硬件设备的统一的接口。