Linux五大模块内核源码以及内核整体架构设计的示例分析

共计 4921 个字符，预计需要花费 13 分钟才能阅读完成。

丸趣 TV 小编给大家分享一下 Linux 五大模块内核源码以及内核整体架构设计的示例分析，相信大部分人都还不怎么了解，因此分享这篇文章给大家参考一下，希望大家阅读完这篇文章后大有收获，下面让我们一起去了解一下吧！

一、前言

本文是“Linux 内核源码分析”系列的专业，会以内核的核心功能为出发点，描述 Linux 内核的整体架构，以及架构之下主要的软件子系统。之后，会介绍 Linux 内核源文件的目录结构，并和各个软件子系统对应。

注：本文和其它的“Linux 内核分析”文章都基于如下约定：
a) 内核版本为 Linux 5.6.18，可以从下面的链接获取：
https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.6.18.tar.xz
b) 鉴于嵌入式系统大多使用 ARM 处理器，因此涉及到体系结构部分的内容，都以 ARM 为分析对象

二、Linux 内核的核心功能

如下图所示，Linux 内核只是 Linux 操作系统一部分。对下，它管理系统的所有硬件设备；对上，它通过系统调用，向 Library Routine（例如 C 库）或者其它应用程序提供接口。

因此，其核心功能就是：管理硬件设备，供应用程序使用。而现代计算机（无论是 PC 还是嵌入式系统）的标准组成，就是 CPU、Memory（内存和外存）、输入输出设备、网络设备和其它的外围设备。所以为了管理这些设备，Linux 内核提出了如下的架构。

（代码免费获取后台私信【代码】）

三、Linux 内核的整体架构

3.1 整体架构和子系统划分

上图说明了 Linux 内核的整体架构。根据内核的核心功能，Linux 内核提出了 5 个子系统，分别负责如下的功能：

1. 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。

2. 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。

3. 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，还得看贝尔实验室正在开发的 Plan 9”的）。

4. 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。

5. IPC（Inter-Process Communication），进程间通信。IPC 不管理任何的硬件，它主要负责 Linux 系统中进程之间的通信。

3.2 进程调度（Process Scheduler)

进程调度是 Linux 内核中最重要的子系统，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要使用 CPU 资源，所以需要“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（见下图），它们的功能如下：

1. 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。

2. 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。

3. Architecture-independent Scheduler，体系结构无关的部分。它会和“Scheduling Policy 模块”沟通，决定接下来要执行哪个进程，然后通过“Architecture-specific Schedulers 模块”resume 指定的进程。

4. 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。

3.3 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：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

3.4 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：

1. 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）。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

3.5 网络子系统（Net）

网络子系统在 Linux 内核中主要负责管理各种网络设备，并实现各种网络协议栈，最终实现通过网络连接其它系统的功能。在 Linux 内核中，网络子系统几乎是自成体系，它包括 5 个子模块（见下图），它们的功能如下：

1. Network Device Drivers，网络设备的驱动，和 VFS 子系统中的设备驱动是一样的。

2. Device Independent Interface，和 VFS 子系统中的是一样的。

3. Network Protocols，实现各种网络传输协议，例如 IP, TCP, UDP 等等。

4. Protocol Independent Interface，屏蔽不同的硬件设备和网络协议，以相同的格式提供接口（socket)。

5. System Call interface，系统调用接口，向用户空间提供访问网络设备的统一的接口。

至于 IPC 子系统，由于功能比较单纯，这里就不再描述。

四、Linux 内核源代码的目录结构

Linux 内核源代码包括三个主要部分：

1. 内核核心代码，包括第 3 章所描述的各个子系统和子模块，以及其它的支撑子系统，例如电源管理、Linux 初始化等

2. 其它非核心代码，例如库文件（因为 Linux 内核是一个自包含的内核，即内核不依赖其它的任何软件，自己就可以编译通过）、固件集合、KVM（虚拟机技术）等

3. 编译脚本、配置文件、帮助文档、版权说明等辅助性文件

下图 r 所示使用 ls 命令看到的内核源代码的顶层目录结构，具体描述如下。

include/ ----  内核头文件，需要提供给外部模块（例如用户空间代码）使用。kernel/ ---- Linux 内核的核心代码，包含了 3.2 小节所描述的进程调度子系统，以及和进程调度相关的模块。mm/ ----  内存管理子系统（3.3 小节）。fs/ ---- VFS 子系统（3.4 小节）。net/ ----  不包括网络设备驱动的网络子系统（3.5 小节）。ipc/ ---- IPC（进程间通信）子系统。arch// ----  体系结构相关的代码，例如 arm, x86 等等。arch//mach- ----  具体的 machine/board 相关的代码。arch//include/asm ----  体系结构相关的头文件。arch//boot/dts ----  设备树（Device Tree）文件。init/ ---- Linux 系统启动初始化相关的代码。block/ ----  提供块设备的层次。sound/ ----  音频相关的驱动及子系统，可以看作“音频子系统”。drivers/ ----  设备驱动（在 Linux kernel 3.10 中，设备驱动占了 49.4 的代码量）。lib/ ----  实现需要在内核中使用的库函数，例如 CRC、FIFO、list、MD5 等。crypto/ -----  加密、解密相关的库函数。security/ ----  提供安全特性（SELinux）。virt/ ----  提供虚拟机技术（KVM 等）的支持。usr/ ----  用于生成 initramfs 的代码。firmware/ ----  保存用于驱动第三方设备的固件。samples/ ----  一些示例代码。tools/ ----  一些常用工具，如性能剖析、自测试等。Kconfig, Kbuild, Makefile, scripts/ ----  用于内核编译的配置文件、脚本等。COPYING ----  版权声明。MAINTAINERS ---- 维护者名单。CREDITS ---- Linux 主要的贡献者名单。REPORTING-BUGS ---- Bug 上报的指南。Documentation, README ----  帮助、说明文档。

以上是“Linux 五大模块内核源码以及内核整体架构设计的示例分析”这篇文章的所有内容，感谢各位的阅读！相信大家都有了一定的了解，希望分享的内容对大家有所帮助，如果还想学习更多知识，欢迎关注丸趣 TV 行业资讯频道！