一起鑽進 Linux 核心看個究竟

核心看不見摸不著，而對於這類東西，我們經常無從下手。本文就以淺顯易懂的語言，帶你鑽進 Linux 核心，看它到底長啥樣。

Linux 核心，這個經常聽見，卻不不知道它具體是幹嘛的東西，是不是覺得非常神秘?

Linux 核心看不見摸不著，而對於這類東西，我們經常無從下手。本文就以淺顯易懂的語言，帶你鑽進 Linux 核心，看它到底長啥樣。

核心是 Linux 作業系統的核心元件，它向上連線應用程式，向下直接與硬體打交道。其程式碼主要由 C 語言及少量組合語言寫成，並且它可以適配多種多樣不同的硬體架構。

核心併發執行著一系列的程式，並管理著硬體的各種資源。具體來講，因為系統的資源有限，核心就為各個程式分配著諸如 CPU 時間、記憶體空間、網路連線等各方面的資源。

下圖是一個典型的 Linux 作業系統架構圖。

Linux 作業系統主要分成兩部分：

• 使用者空間
• 核心空間

所有的使用者應用程式都是在使用者空間執行，它們不能直接訪問記憶體等硬體資源，而是間接透過核心來訪問。GNU C 庫(glibc)提供了從使用者空間切換至核心空間的機制。

核心直接管理著系統的 CPU、記憶體、輸入輸出裝置、網路裝置和其它的外圍裝置，它被分為不同模組來管理系統的不同操作，比如：檔案管理，記憶體管理，程式管理等等。

使用者空間的應用程式可以透過呼叫核心提供的 API 來訪問硬體資源。比如，對於檔案操作，我們可以呼叫 open() ，read() ，write() 等介面。

核心直接管理著硬體，又與硬體相互獨立，它可以透過簡單配置然後執行在 Intel，ARM ，Atemel 等晶片架構上。

根據核心的核心功能，Linux 核心提出了 5 個子系統，分別為：系統呼叫、程式管理、記憶體管理、檔案系統、網路管理，如下圖示：

系統呼叫介面。程式排程子系統透過系統呼叫介面，將需要提供給使用者空間的介面開放出去，同時遮蔽掉不需要使用者空間程式關心的細節。

SCI 實際上是一個非常有用的函式呼叫多路複用和多路分解服務。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實現，並在 ./linux/arch 中找到依賴於體系結構的部分。

使用者空間有那麼多程式，如何讓他們有條不紊地進行著正是程式管理所要做的事。每個程式都要使用到 CPU 資源(如 CPU ，記憶體)，但 CPU 資源畢竟有限，不可能讓某個程式一進獨佔著資源。

因此，程式管理就充當著管理員的角色，它排程著所有的程式，當需要選擇下一程式執行時，會由排程演算法來選擇最需要執行的程式。如果某個程式在等待其它硬體資源，則它就會被掛起。

因此，透過一系列的排程演算法，核心儘可能地公平地讓各個程式使用到 CPU 資源。

記憶體管理主要提供對記憶體資源的訪問控制，以便讓各個程式可以安全地共享機器的記憶體資源。它提供了實體記憶體與虛擬記憶體的一種對映關係，因而不同的程式可以使用相同的虛擬記憶體，而這些相同的虛擬記憶體，可以對映到不同的實體記憶體上。這個對映關係主要由 MMU 來完成。

另外，記憶體管理會提供虛擬記憶體的機制，該機制可以讓程式使用多於系統可用的記憶體，不用的記憶體會透過檔案系統儲存在外部非易失儲存器中，需要使用的時候，再取回到記憶體中。

核心隱藏了不同功能的外部裝置，例如硬碟、輸入輸出裝置、顯示裝置等等的具體細節，將它們抽象為可以透過統一的檔案操作介面(open、close、read、write等)來訪問，也就是我們所熟知的「一切皆檔案」。

隨著計算機技術的發展，歷史上出現了多種檔案系統，比如：FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3 等等。為了相容這些檔案系統，核心將它們抽象為統一的表現形式，這就是虛擬檔案系統的概念。

虛擬檔案系統可分為邏輯檔案系統和裝置驅動程式。邏輯檔案系統指 Linux 所支援的檔案系統，如ext2, fat等，裝置驅動程式指為每一種硬體控制器所編寫的裝置驅動程式模組。

網路子系統在 Linux 核心中主要負責管理各種網路裝置，並實現各種網路協議棧，最終實現透過網路連線其它系統的功能。

網路介面提供了對各種網路標準協議的存取和各種網路硬體的支援。網路介面可分為網路協議和網路驅動程式兩部分。網路協議部分負責實現每一種可能的網路傳輸協議，網路裝置驅動程式負責與硬體裝置進行通訊，每一種可能的硬體裝置都有相應的裝置驅動程式。

以上就是 Linux 核心的一些很基礎的知識，對於核心的學習還有非常多的內容，決不是一篇文章能夠寫完的。所以，對於核心的學習，需要多看書，多看影片，並自己動手去實踐，才能真正掌握。

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