深入理解Linux Kernel內(nèi)核整體架構(gòu)(圖文詳解)
一，前言
本文是“Linux內(nèi)核分析”系列文章的第一篇，會(huì)以內(nèi)核的核心功能為出發(fā)點(diǎn)，描述Linux內(nèi)核的整體架構(gòu)，以及架構(gòu)之下主要的軟件子系統(tǒng)。之后，會(huì)介紹Linux內(nèi)核源文件的目錄結(jié)構(gòu)，并和各個(gè)軟件子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)。
注：本文和其它的“Linux內(nèi)核分析”文章都基于如下約定：
a) 內(nèi)核版本為L(zhǎng)inux 3.10.29（該版本是一個(gè)long term的版本，會(huì)被Linux社區(qū)持續(xù)維護(hù)至少2年)。
b) 鑒于嵌入式系統(tǒng)大多使用ARM處理器，因此涉及到體系結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)容，都以ARM為分析對(duì)象
二，Linux內(nèi)核的核心功能
如下圖所示，Linux內(nèi)核只是Linux操作系統(tǒng)一部分。對(duì)下，它管理系統(tǒng)的所有硬件設(shè)備；對(duì)上，它通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用，向Library Routine（例如C庫(kù)）或者其它應(yīng)用程序提供接口。
因此，其核心功能就是：管理硬件設(shè)備，供應(yīng)用程序使用。而現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（無(wú)論是PC還是嵌入式系統(tǒng)）的標(biāo)準(zhǔn)組成，就是CPU、Memory（內(nèi)存和外存）、輸入輸出設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和其它的外圍設(shè)備。所以為了管理這些設(shè)備，Linux內(nèi)核提出了如下的架構(gòu)。
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三，Linux內(nèi)核的整體架構(gòu)
3.1 整體架構(gòu)和子系統(tǒng)劃分
上圖說(shuō)明了Linux內(nèi)核的整體架構(gòu)。根據(jù)內(nèi)核的核心功能，Linux內(nèi)核提出了5個(gè)子系統(tǒng)，分別負(fù)責(zé)如下的功能：
1. Process Scheduler，也稱作進(jìn)程管理、進(jìn)程調(diào)度。負(fù)責(zé)管理CPU資源，以便讓各個(gè)進(jìn)程可以以盡量公平的方式訪問(wèn)CPU。
2. Memory Manager，內(nèi)存管理。負(fù)責(zé)管理Memory（內(nèi)存）資源，以便讓各個(gè)進(jìn)程可以安全地共享機(jī)器的內(nèi)存資源。另外，內(nèi)存管理會(huì)提供虛擬內(nèi)存的機(jī)制，該機(jī)制可以讓進(jìn)程使用多于系統(tǒng)可用Memory的內(nèi)存，不用的內(nèi)存會(huì)通過(guò)文件系統(tǒng)保存在外部非易失存儲(chǔ)器中，需要使用的時(shí)候，再取回到內(nèi)存中。
3. VFS（Virtual File System），虛擬文件系統(tǒng)。Linux內(nèi)核將不同功能的外部設(shè)備，例如Disk設(shè)備（硬盤、磁盤、NAND Flash、Nor Flash等）、輸入輸出設(shè)備、顯示設(shè)備等等，抽象為可以通過(guò)統(tǒng)一的文件操作接口（open、close、read、write等）來(lái)訪問(wèn)。這就是Linux系統(tǒng)“一切皆是文件”的體現(xiàn)（其實(shí)Linux做的并不徹底，因?yàn)镃PU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)等還不是文件，如果真的需要一切皆是文件，還得看貝爾實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)的"Plan 9”的）。
4. Network，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)多種多樣的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
5. IPC（Inter-Process Communication），進(jìn)程間通信。IPC不管理任何的硬件，它主要負(fù)責(zé)Linux系統(tǒng)中進(jìn)程之間的通信。
3.2 進(jìn)程調(diào)度（Process Scheduler)
進(jìn)程調(diào)度是Linux內(nèi)核中最重要的子系統(tǒng)，它主要提供對(duì)CPU的訪問(wèn)控制。因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)中，CPU資源是有限的，而眾多的應(yīng)用程序都要使用CPU資源，所以需要“進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)”對(duì)CPU進(jìn)行調(diào)度管理。
進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)包括4個(gè)子模塊（見(jiàn)下圖），它們的功能如下：
1. Scheduling Policy，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程調(diào)度的策略，它決定哪個(gè)（或哪幾個(gè)）進(jìn)程將擁有CPU。
2. Architecture-specific Schedulers，體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的部分，用于將對(duì)不同CPU的控制，抽象為統(tǒng)一的接口。這些控制主要在suspend和resume進(jìn)程時(shí)使用，牽涉到CPU的寄存器訪問(wèn)、匯編指令操作等。
3. Architecture-independent Scheduler，體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的部分。它會(huì)和“Scheduling Policy模塊”溝通，決定接下來(lái)要執(zhí)行哪個(gè)進(jìn)程，然后通過(guò)“Architecture-specific Schedulers模塊”resume指定的進(jìn)程。
4. System Call Interface，系統(tǒng)調(diào)用接口。進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用接口，將需要提供給用戶空間的接口開(kāi)放出去，同時(shí)屏蔽掉不需要用戶空間程序關(guān)心的細(xì)節(jié)。
3.3 內(nèi)存管理（Memory Manager, MM)
內(nèi)存管理同樣是Linux內(nèi)核中最重要的子系統(tǒng)，它主要提供對(duì)內(nèi)存資源的訪問(wèn)控制。Linux系統(tǒng)會(huì)在硬件物理內(nèi)存和進(jìn)程所使用的內(nèi)存（稱作虛擬內(nèi)存）之間建立一種映射關(guān)系，這種映射是以進(jìn)程為單位，因而不同的進(jìn)程可以使用相同的虛擬內(nèi)存，而這些相同的虛擬內(nèi)存，可以映射到不同的物理內(nèi)存上。
內(nèi)存管理子系統(tǒng)包括3個(gè)子模塊（見(jiàn)下圖），它們的功能如下：
1. Architecture Specific Managers，體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分。提供用于訪問(wèn)硬件Memory的虛擬接口。
2. Architecture Independent Manager，體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)部分。提供所有的內(nèi)存管理機(jī)制，包括：以進(jìn)程為單位的memory mapping；虛擬內(nèi)存的Swapping。
3. System Call Interface，系統(tǒng)調(diào)用接口。通過(guò)該接口，向用戶空間程序應(yīng)用程序提供內(nèi)存的分配、釋放，文件的map等功能。
3.4 虛擬文件系統(tǒng)（Virtual Filesystem, VFS）
傳統(tǒng)意義上的文件系統(tǒng)，是一種存儲(chǔ)和組織計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的方法。它用易懂、人性化的方法（文件和目錄結(jié)構(gòu)），抽象計(jì)算機(jī)磁盤、硬盤等設(shè)備上冰冷的數(shù)據(jù)塊，從而使對(duì)它們的查找和訪問(wèn)變得容易。因而文件系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，就是“存儲(chǔ)和組織數(shù)據(jù)的方法”，文件系統(tǒng)的表現(xiàn)形式，就是“從某個(gè)設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)和向某個(gè)設(shè)備寫(xiě)入數(shù)據(jù)”。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，存儲(chǔ)和組織數(shù)據(jù)的方法也是在不斷進(jìn)步的，從而導(dǎo)致有多種類型的文件系統(tǒng)，例如FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3等等。而為了兼容，操作系統(tǒng)或者內(nèi)核，要以相同的表現(xiàn)形式，同時(shí)支持多種類型的文件系統(tǒng)，這就延伸出了虛擬文件系統(tǒng)（VFS）的概念。VFS的功能就是管理各種各樣的文件系統(tǒng)，屏蔽它們的差異，以統(tǒng)一的方式，為用戶程序提供訪問(wèn)文件的接口。
我們可以從磁盤、硬盤、NAND Flash等設(shè)備中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，因而最初的文件系統(tǒng)都是構(gòu)建在這些設(shè)備之上的。這個(gè)概念也可以推廣到其它的硬件設(shè)備，例如內(nèi)存、顯示器（LCD）、鍵盤、串口等等。我們對(duì)硬件設(shè)備的訪問(wèn)控制，也可以歸納為讀取或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)，因而可以用統(tǒng)一的文件操作接口訪問(wèn)。Linux內(nèi)核就是這樣做的，除了傳統(tǒng)的磁盤文件系統(tǒng)之外，它還抽象出了設(shè)備文件系統(tǒng)、內(nèi)存文件系統(tǒng)等等。這些邏輯，都是由VFS子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
VFS子系統(tǒng)包括6個(gè)子模塊（見(jiàn)下圖），它們的功能如下：
1. Device Drivers，設(shè)備驅(qū)動(dòng)，用于控制所有的外部設(shè)備及控制器。由于存在大量不能相互兼容的硬件設(shè)備（特別是嵌入式產(chǎn)品），所以也有非常多的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。因此，Linux內(nèi)核中將近一半的Source Code都是設(shè)備驅(qū)動(dòng)，大多數(shù)的Linux底層工程師（特別是國(guó)內(nèi)的企業(yè)）都是在編寫(xiě)或者維護(hù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，而無(wú)暇估計(jì)其它內(nèi)容（它們恰恰是Linux內(nèi)核的精髓所在）。
2. Device Independent Interface， 該模塊定義了描述硬件設(shè)備的統(tǒng)一方式（統(tǒng)一設(shè)備模型），所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)都遵守這個(gè)定義，可以降低開(kāi)發(fā)的難度。同時(shí)可以用一致的形式向上提供接口。
3. Logical Systems，每一種文件系統(tǒng)，都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)Logical System（邏輯文件系統(tǒng)），它會(huì)實(shí)現(xiàn)具體的文件系統(tǒng)邏輯。
4. System Independent Interface，該模塊負(fù)責(zé)以統(tǒng)一的接口（快設(shè)備和字符設(shè)備）表示硬件設(shè)備和邏輯文件系統(tǒng)，這樣上層軟件就不再關(guān)心具體的硬件形態(tài)了。
5. System Call Interface，系統(tǒng)調(diào)用接口，向用戶空間提供訪問(wèn)文件系統(tǒng)和硬件設(shè)備的統(tǒng)一的接口。
3.5 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（Net）
網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)在Linux內(nèi)核中主要負(fù)責(zé)管理各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接其它系統(tǒng)的功能。在Linux內(nèi)核中，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)幾乎是自成體系，它包括5個(gè)子模塊（見(jiàn)下圖），它們的功能如下：
1. Network Device Drivers，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，和VFS子系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)是一樣的。
2. Device Independent Interface，和VFS子系統(tǒng)中的是一樣的。
3. Network Protocols，實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，例如IP, TCP, UDP等等。
4. Protocol Independent Interface，屏蔽不同的硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以相同的格式提供接口（socket)。
5. System Call interface，系統(tǒng)調(diào)用接口，向用戶空間提供訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一的接口。
至于IPC子系統(tǒng)，由于功能比較單純，這里就不再描述了。
四，Linux內(nèi)核源代碼的目錄結(jié)構(gòu)
Linux內(nèi)核源代碼包括三個(gè)主要部分：
1. 內(nèi)核核心代碼，包括第3章所描述的各個(gè)子系統(tǒng)和子模塊，以及其它的支撐子系統(tǒng)，例如電源管理、Linux初始化等
2. 其它非核心代碼，例如庫(kù)文件（因?yàn)長(zhǎng)inux內(nèi)核是一個(gè)自包含的內(nèi)核，即內(nèi)核不依賴其它的任何軟件，自己就可以編譯通過(guò)）、固件集合、KVM（虛擬機(jī)技術(shù)）等
3. 編譯腳本、配置文件、幫助文檔、版權(quán)說(shuō)明等輔助性文件
下圖是使用ls命令看到的內(nèi)核源代碼的頂層目錄結(jié)構(gòu)，具體描述如下：
include/ ---- 內(nèi)核頭文件，需要提供給外部模塊（例如用戶空間代碼）使用。
kernel/ ---- Linux內(nèi)核的核心代碼，包含了3.2小節(jié)所描述的進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)，以及和進(jìn)程調(diào)度相關(guān)的模塊。
mm/ ---- 內(nèi)存管理子系統(tǒng)（3.3小節(jié)）。
fs/ ---- VFS子系統(tǒng)（3.4小節(jié)）。
net/ ---- 不包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（3.5小節(jié)）。
ipc/ ---- IPC（進(jìn)程間通信）子系統(tǒng)。
arch// ---- 體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼，例如arm, x86等等。
arch//mach- ---- 具體的machine/board相關(guān)的代碼。
arch//include/asm ---- 體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的頭文件。
arch//boot/dts ---- 設(shè)備樹(shù)（Device Tree）文件。
init/ ---- Linux系統(tǒng)啟動(dòng)初始化相關(guān)的代碼。
block/ ---- 提供塊設(shè)備的層次。
sound/ ---- 音頻相關(guān)的驅(qū)動(dòng)及子系統(tǒng)，可以看作“音頻子系統(tǒng)”。
drivers/ ---- 設(shè)備驅(qū)動(dòng)（在Linux kernel 3.10中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)占了49.4的代碼量）。
lib/ ---- 實(shí)現(xiàn)需要在內(nèi)核中使用的庫(kù)函數(shù)，例如CRC、FIFO、list、MD5等。
crypto/ ----- 加密、解密相關(guān)的庫(kù)函數(shù)。
security/ ---- 提供安全特性（SELinux）。
virt/ ---- 提供虛擬機(jī)技術(shù)（KVM等）的支持。
usr/ ---- 用于生成initramfs的代碼。
firmware/ ---- 保存用于驅(qū)動(dòng)第三方設(shè)備的固件。
samples/ ---- 一些示例代碼。
tools/ ---- 一些常用工具，如性能剖析、自測(cè)試等。
Kconfig, Kbuild, Makefile, scripts/ ---- 用于內(nèi)核編譯的配置文件、腳本等。
COPYING ---- 版權(quán)聲明。
MAINTAINERS ----維護(hù)者名單。
CREDITS ---- Linux主要的貢獻(xiàn)者名單。
REPORTING-BUGS ---- Bug上報(bào)的指南。
Documentation, README ---- 幫助、說(shuō)明文檔。
