简述Linux系统内核的作用

V 1.0 2024年5月7日 发布于博客园

目录

• Linux内核的组成部分
  • 进程调度（SCHED）
  • 内存管理（MM）
  • 虚拟文件系统（VFS）
  • 网络接口（NET）
  • 进程间通信（IPC）
• Linux内核5个组成部分之间的依赖关系
  • 进程调度与内存管理之间的关系：
  • 进程间通信与内存管理的关系：
  • 虚拟文件系统与网络接口之间的关系：
  • 内存管理与虚拟文件系统之间的关系：
• 参考资料

Linux系统内核是整个操作系统的核心，负责管理系统的所有硬件和软件资源。内核的主要职责包括进程管理、内存管理、设备驱动程序的执行、文件系统的管理以及网络通信的控制。

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）5个子系统组成。

进程调度（SCHED）

进程调度控制系统中的多个进程对CPU的访问，使得多个进程能在CPU中“微观串行，宏观并行”地执行。进程调度处于系统的中心位置，内核中其他的子系统都依赖它，因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。

内存管理（MM）

内存管理的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。

一般而言，32位处理器的Linux的每个进程享有4GB的内存空间，0_{3GB属于用户空间，3}4GB属于内核空间，内核空间对常规内存、I/O设备内存以及高端内存有不同的处理方式。当然，内核空间和用户空间的具体界限是可以调整的，在内核配置选项Kernel Features→Memory split下，可以设置界限为2GB或者3GB。

1. 虚拟内存管理：
   Linux内核使用虚拟内存机制来管理内存，这允许系统使用比实际物理内存更多的地址空间。内核通过分页（paging）机制将虚拟地址空间映射到物理内存地址，提高了内存的使用效率和程序的运行安全性。

2. 内存分配：
   内核负责根据进程的需求动态分配和释放内存。这包括直接物理内存的分配以及通过页表进行的间接分配。

3. 交换（Swapping）和页面替换：
   当系统的物理内存不足时，Linux内核会将内存中的页面（page）移动到交换空间（swap space），以释放内存给当前更需要的进程。内核还负责管理页面替换算法，优化内存使用。

虚拟文件系统（VFS）

如图3.7所示，Linux虚拟文件系统隐藏了各种硬件的具体细节，为所有设备提供了统一的接口。而且，它独立于各个具体的文件系统，是对各种文件系统的一个抽象。它为上层的应用程序提供了统一的vfs_read（）、vfs_write（）等接口，并调用具体底层文件系统或者设备驱动中实现的file_operations结构体的成员函数。

网络接口（NET）

网络接口提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。如图3.8所示，在Linux中网络接口可分为网络协议和网络驱动程序，网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议，网络设备驱动程序负责与硬件设备通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。

1. 协议栈实现：
   Linux内核包含一个完整的TCP/IP协议栈，支持广泛的网络通信协议。内核处理数据包的路由、传输、接收以及错误处理等任务。

2. 网络设备驱动：
   内核包含各种网络接口的驱动程序，如以太网卡、无线适配器等。这些驱动程序负责与硬件设备通信，执行数据的发送和接收操作。

3. 网络安全和过滤：
   Linux内核支持Netfilter和iptables等工具，这些工具为网络提供防火墙功能，进行数据包过滤，增强系统的安全性。

4. 网络配置和管理：
   内核支持各种网络配置选项，包括IP地址设置、路由表配置等，这些都可以通过系统调用或者使用如ifconfig、ip等工具来配置。

进程间通信（IPC）

进程间通信支持进程之间的通信，Linux支持进程间的多种通信机制，包含信号量、共享内存、消息队列、管道、UNIX域套接字等，这些机制可协助多个进程、多资源的互斥访问、进程间的同步和消息传递。在实际的Linux应用中，人们更多地趋向于使用UNIX域套接字，而不是System V IPC中的消息队列等机制。Android内核则新增了Binder进程间通信方式。

Linux内核5个组成部分之间的依赖关系

进程调度与内存管理之间的关系：

这两个子系统互相依赖。在多程序环境下，程序要运行，则必须为之创建进程，而创建进程的第一件事情，就是将程序和数据装入内存。

进程间通信与内存管理的关系：

进程间通信子系统要依赖内存管理支持共享内存通信机制，这种机制允许两个进程除了拥有自己的私有空间之外，还可以存取共同的内存区域。

虚拟文件系统与网络接口之间的关系：

虚拟文件系统利用网络接口支持网络文件系统（NFS），也利用内存管理支持RAMDISK设备。

内存管理与虚拟文件系统之间的关系：

内存管理利用虚拟文件系统支持交换，交换进程定期由调度程序调度，这也是内存管理依赖于进程调度的原因。当一个进程存取的内存映射被换出时，内存管理向虚拟文件系统发出请求，同时，挂起当前正在运行的进程。

除了这些依赖关系外，内核中的所有子系统还要依赖于一些共同的资源。这些资源包括所有子系统都用到的API，如分配和释放内存空间的函数、输出警告或错误消息的函数及系统提供的调试接口等。

参考资料

• Linux设备驱动开发详解 (豆瓣) (douban.com)