linux架构分析

作者：Vamei 出处：http://www.cnblogs.com/vamei 欢迎转载，也请保留这段声明。谢谢！

 

我们以下图为基础，说明Linux的架构(architecture)。(该图参考《 Advanced Programming in Unix Environment》) 

 

最内层是我们的硬件，最外层是我们常用的各种应用，比如说使用firefox浏览器，打开evolution查看邮件，运行一个计算流体模型等等。硬件是我们的物质基础，而应用是我们所要奋斗的目标，但在两者之间，还要经过一番周折。

还记得我们在 Linux启动的时候。首先会启动内核 (kernel)，内核是一段计算机程序，这个程序直接管理管理硬件，包括CPU、内存空间、硬盘接口、网络接口等等。所有的计算机操作都要通过内核传递给硬件。

 

为了我们方便调用内核，我们将内核的功能总结成为系统调用(system call)。

 

系统调用看起来就像是的C语言函数——注意这点，就是c语言函数，因为linux是用这个写的

 

你也可以在程序中直接调用。Linux系统有两百多个这样的系统调用。系统调用给了上层程序一个清晰的接口，隐藏了内核的复杂结构。一个操作系统上的功能可以看作是系统调用的组合的效果，而且一个操作系统不可能作出超越系统调用的动作。可以说一个系统调用函数就像是汉字的一个笔画，任何一个汉字都要由基本的笔画（点、横、撇等等）构成，而且我们不能臆造出笔画。在命令行中输入$man 2 syscalls可以查看所有的系统调用。你也可以通过$man 2 read来查看系统调用read()的说明。在这两个命令中的2都表示我们要在2类(系统调用类)中查询 (具体各个类是什么可以通过$man man看到)。 

 

怎么调用系统调用呢？

http://www.dedecms.com/knowledge/servers/linux-bsd/2012/0830/13550.html

一、使用标准C库函数，属于隐式调用

二、使用int syscall(int number, ...); 

（在unistd.h里可以看到很多，并且可以看到，里面有/* POSIX.1-1990 */的标志，也就是说，这已经是函数库了

但是这个头文件是c语言的，而linux底层就是用c写的意思就是这个吗？就是说，linux的系统调用是用c来写的，而我们常用的c语言是对这些系统调用做了封装了）

 

system call例如我们熟悉的fork，getpid，getppid，曾记否操作系统实验课让我们用fork编程！那就是系统编程！

甚至可以看到reboot这种，我们平时在shell里面用的reboot，是应用程序，放在/sbin/reboot

shutdown也是，放在/sbin/shutdown

他们都封装了这些system call

 

下面这篇详细讲解了linux的启动过程

http://forum.ubuntu.org.cn/viewtopic.php?t=5408

（从这篇文章看到，所谓的看源码学linux，一部分就是各种源码，例如ls的实现等等，一部分就是看他们读取的文件，反正就是看代码——看代码才能理解工作流程，至于作者怎么理解内内核启动过程的，还不清楚）

可以去看下/sbin/shutdown的源码：

（这就是常说的看系统源码？文中还写到在本文对Linux启动过程的介绍中，我们也尝试从源代码的视角来更深入的剖析Linux 的启动过程，所以其中也简单涉及到部分相关的Linux源代码，Linux启动这部分的源码主要使用的是C语言，也涉及到了少量的汇编。而启动过程中也执行了大量的shell(主要是bash shell)所写脚本。）

我在FreeBSD的源代码里面找到了sbin/shutdown.c：

这些就是它的实现，里面就是各种c的系统调用了，编译出来就是sbin/shutdown

 

 

BSD源码的确是个宝库，mac也是用BSD的，而且，看源码要懂c，源码各种高质量

（Mach, which does the typical kernel work like memory management, scheduling and interprocess communication, BSD, which provides the POSIX-style syscall interface, file systems and networking to user mode, and I/O-Kit, the driver infrastructure written in C++. ）

http://events.ccc.de/congress/2007/Fahrplan/events/2303.en.html

实质上为darwin，它由多种重要的技术组成，如FreeBSD、Mach、I/O Kit、网络、文件系统等。

http://www.elecfans.com/3g/TDSCDMA/20100130160390.html

 

 

我们linux上面用的man，用man reboot可以查到section 8的BSD System Manager's Manual的reboot，是应用程序，属于shell调用应用程序

而用man 2 reboot则是section 2的BSD System Calls Manual的reboot，是system call，系统调用，在mac os只有238个

而用man 3 sleep则是section 3的BSD Library Functions Manual，是库函数，在mac os有18000多个！

用man 1 ftp是section 1的BSD General Commands Manual，是通用指令

man 4 tcp是section 4的BSD Kernel Interfaces Manual，是内核接口，mac os共有40个，包括ip，ip6，tcp，udp等等，manual里面有注明，里面有说明The TCP protocol appeared in 4.2BSD.这种历史，说明mac os底层有一部分是BSD，大部分是系统调用的一部分而已，组成系统调用

（里面看到ip里面这行，#include <sys/socket.h>，就是说，所谓的从socket层开始编起，是指从系统调用开始编起？！之前认为python socket就是所说的socket编程的我真是太天真了。。。）

 

man 5 gbk是BSD File Formats Manual，文件格式手册，里面就一堆文件格式说明，例如gbk -- Guojia biaozhun kuozhan (GBK) encoding method for Chinese text，还有例如utf-8，big5

man 6 banner是BSD Games Manual，BSD游戏手册，运行游戏，输入信息，太牛逼，原来如此

man 7 COPY是PostgreSQL 9.3.5 Documentation，是SQL语句的手册？！还有SELECT。。卧槽

man 9 copy是BSD Kernel Developer's Manual，一些kernel的系统调用

 

unix系统编程用的是system call还是库函数？

从UNIX环境高级编程这本书的目录可以看出：

综合了库函数的使用和系统调用的使用，用什么，当然是c

 

由于系统调用非常基础，所以有时使用起来很麻烦。比如说一个简单的给变量分配内存空间的操作，就需要动用多个系统调用。Linux定义一些库函数(library routine)来将系统调用组合成某些常用的功能（section 3），以方便我们编程。比如上面的分配内存的操作，看以定义成为一个库函数(像malloc()这样的函数)。再比如说，在读取文件的时候，系统调用要求我们设置好所需要的缓冲。我们这个时候可以使用Standard IO库中的读取函数，而这个读取函数既负责设置缓冲，又负责使用读取的系统调用函数。使用库函数对于机器来说并没有效率上的优势，但可以把程序员从细节中解救出来。库函数就像是汉字的偏旁部首，它由笔画组成，但使用偏旁部首更容易组成字，比如"铁"。当然，你也完全可以不使用库函数，而直接调用系统函数，就像“人”字一样，不用偏旁部首。

(实际上，一个操作系统要称得上是UNIX系统，必须要拥有一些库函数，比如ISO C标准库，POSIX标准等。)

 

POSIX标准：是IEEE为要在各种UNIX操作系统上运行的软件，而定义API的一系列互相关联的标准的总称

linux为了兼容unix上面的软件，才写linux过程中也遵循POSIX标准

 

至于shell，可以看作一种特殊的应用。实际上我们之前所说的 命令行，就是shell。shell是一个命令解释器(interpreter)，当我们输入ls的时候，它将此字符串解释为1) 在默认路径找到该文件(/bin/ls)，2) 执行该文件。我们之前 用>表示重新定向，用|表示管道，也是通过shell进行理解&或者|的含义，再通过系统调用指挥kernel建立具体的重定向或者管道机制。在没有图形界面之前，shell充当了用户的界面，当用户要运行某些应用的时候，要通过shell输入命令，以建立运行程序。shell可以执行符合shell语法的文本，这样的文本叫做shell脚本(script)。

 

我们可以在图中看到，shell下通系统调用，上通各种应用，同时还有许多自身的便利可以使用，这些条件让shell脚本可以实现非常强大的功能。（我暂时找不到可以直接调用系统调用）

 

UNIX的一条哲学：

是让每个程序尽量独立的做好一个小的功能。（模块化）

 

而shell充当了这些小功能之间的"胶水"，让不同程序能够以一个清晰的接口(文本流)协同工作，从而增强各个程序的功能。(这也是我们鼓励多用shell，少用图形化界面的原因之一。)

(shell也有很多种，最常见的是bash, 另外还有sh, csh, tcsh, ksh。它们出现的年代不同，所支持的功能也有差异。)

 

最后，我们进入一般的应用。应用是一个程序，它可以1) 直接调用系统函数 2) 调用库函数 3) 运行shell script。这些应用可以由多种语言开发(当然，最常见的是C语言)，以满足我们使用计算机的各种需要。

 

我们可以看到，Linux利用kernel实现软硬件的对话。通过系统调用的这个重要的接口，Linux将上层的应用与下层的kernel完全分离开，为程序员隐藏了底层的复杂性(相应的，也提高了上层应用的可移植性)。当我们在升级kernel的时候，也可以保持系统调用的语句不变，从而让上层应用不感受到下层的改变。库函数利用系统调用创造出模块化的功能，而shell则提供了一个用户界面，并让我们可以利用shell的语法编写脚本，以整合程序。

而所有的这些安排也为其他应用的开发提供了便利。

 

总结:

kernel 系统调用

库函数 shell

应用

 

 

本文在作者原文基础上有改动，如要看作者原文，轻到http://www.cnblogs.com/vamei阅读，谢谢！