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Linux是一種自由和開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于服務(wù)器端和嵌入式設(shè)備。其核心組件——Linux內(nèi)核，是實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)基本功能的最核心部分。Linux內(nèi)核由許多模塊組成，包括進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等。在本文中，我們將簡(jiǎn)要介紹Linux內(nèi)核的幾個(gè)重要模塊。
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1. 進(jìn)程調(diào)度
在多任務(wù)操作系統(tǒng)中， CPU 必須按照某種算法將 CPU 使用權(quán)交給不同的進(jìn)程。Linux內(nèi)核采用了一種稱為 CFS（Completely Fr Scheduler）的算法，它不同于傳統(tǒng)的搶占式調(diào)度，而是盡量使所有進(jìn)程獲得公平的 CPU 時(shí)間。CFS 算法是用紅黑樹(shù)來(lái)維護(hù)進(jìn)程調(diào)度隊(duì)列，運(yùn)用高精度計(jì)時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)。
2. 內(nèi)存管理
內(nèi)存管理是一個(gè)操作系統(tǒng)非常重要的任務(wù)。 Linux內(nèi)核采用了一種稱為 vm_area_struct 結(jié)構(gòu)體來(lái)管理虛擬內(nèi)存區(qū)域，通過(guò)它可以更加直觀地描述一段內(nèi)存的起始地址和大小。與此同時(shí)， Linux 還使用交換空間作為系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種方式。使用交換空間可以支持系統(tǒng)進(jìn)程創(chuàng)建多于物理內(nèi)存的內(nèi)存占用。
3. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
Linux內(nèi)核也需要支持訪問(wèn)硬件設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)接口卡、硬盤(pán)等。為了對(duì)外設(shè)訪問(wèn)進(jìn)行抽象， Linux 內(nèi)核使用了一種稱為“設(shè)備節(jié)點(diǎn)”的東西。在Filesystem中，每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都相對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，這樣用戶程序就可以通過(guò)這些設(shè)備節(jié)點(diǎn)與硬件交互。各設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)核中?？梢酝ㄟ^(guò)查看 /proc/devices 中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)知道所有安裝的設(shè)備驅(qū)動(dòng)（主設(shè)備號(hào)）。
4. 虛擬文件系統(tǒng)
虛擬文件系統(tǒng)是 Linux 內(nèi)核中的一種特定類(lèi)型的文件系統(tǒng)。它不會(huì)直接訪問(wèn)存儲(chǔ)，而是訪問(wèn)實(shí)際文件系統(tǒng)的方式進(jìn)行文件讀寫(xiě)。通過(guò)虛擬文件系統(tǒng)， Linux 內(nèi)核不僅能方便地訪問(wèn)底層文件系統(tǒng)，還能將多種類(lèi)型的文件系統(tǒng)進(jìn)行組合使用（比如將 ext3 和 FAT32 文件系統(tǒng)組成一個(gè)虛擬文件系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)）。
Linux內(nèi)核是一種由許多模塊組成的復(fù)雜系統(tǒng)。我們?cè)谶@篇文章中簡(jiǎn)要介紹了幾個(gè)重要模塊，包括進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和虛擬文件系統(tǒng)。這些模塊一起協(xié)同工作，為 Linux 操作系統(tǒng)提供了優(yōu)秀的性能和可靠性。Linux內(nèi)核的持續(xù)發(fā)展使它成為了眾多服務(wù)器端和嵌入式設(shè)備的首選操作系統(tǒng)。
相關(guān)問(wèn)題拓展閱讀：
- 什么是linux內(nèi)核
什么是linux內(nèi)核
Linux 內(nèi)核設(shè)計(jì)的理念主要有這幾個(gè)點(diǎn)：
MutiTask，多任務(wù)
P，對(duì)稱多處理
ELF，可執(zhí)行文件鏈接格式
Monolithic Kernel，宏內(nèi)核
MutiTask
MutiTask 的意思是多任務(wù)，代表著 Linux 是一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)。多任務(wù)意味著可以有多個(gè)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，這里的「同時(shí)」可以是并發(fā)或并行：
對(duì)于單核 CPU 時(shí)，可以讓每個(gè)任務(wù)執(zhí)行一小段時(shí)間，時(shí)間到就切換另外一個(gè)任務(wù)，從宏觀角度看，一段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行了多個(gè)任務(wù)，這被稱為并發(fā)。
對(duì)于多核 CPU 時(shí)，多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)被不同核心的 CPU 同時(shí)執(zhí)行，這被稱為并行。
P
P 的意思是對(duì)稱多處理，代表著每個(gè) CPU 的地位是相等的，對(duì)資源的使用權(quán)限也是相同的，多個(gè) CPU 共享同一個(gè)內(nèi)存，每個(gè) CPU 都可以訪問(wèn)完整的內(nèi)存和硬件資源。
這個(gè)特點(diǎn)決定了 Linux 操作系統(tǒng)不會(huì)有某個(gè) CPU 單獨(dú)服務(wù)應(yīng)用程序或內(nèi)核程序，而是每個(gè)程序都可以被分配到任意一個(gè) CPU 上被執(zhí)行。
ELF
ELF 的意思是可執(zhí)行文件鏈接格式，它是 Linux 操作系統(tǒng)中可執(zhí)行文件的存儲(chǔ)格式;
ELF 文件格式
ELF 把文件分成了一個(gè)個(gè)分段，每一個(gè)段都有自己的作用，具體每個(gè)段的作用這里就不詳細(xì)說(shuō)明了，感興趣的同學(xué)可以去看《程序員的自我修養(yǎng)——鏈接、裝載和庫(kù)》這本書(shū)。
另外，ELF 文件有兩種索引，Program header table 中記錄了「運(yùn)行時(shí)」所需的段，而 Section header table 記錄了二進(jìn)制文件中各個(gè)「段的首地址」。
那 ELF 文件怎么生成的呢？
我們編寫(xiě)的代碼，首先通過(guò)「編譯器」編譯成匯編代碼，接著通過(guò)「匯編器」變成目標(biāo)代碼，也就是目標(biāo)文件，最后通過(guò)「鏈接器」把多個(gè)目標(biāo)文件以及調(diào)用的各種函數(shù)庫(kù)鏈接起來(lái)，形成一個(gè)可執(zhí)行文件，也就是 ELF 文件。
那 ELF 文件是怎么被執(zhí)行的呢？
執(zhí)行 ELF 文件的時(shí)候，會(huì)通過(guò)「裝載器」把 ELF 文件裝載到內(nèi)存里，CPU 讀取內(nèi)存中宏內(nèi)核的特征是系統(tǒng)內(nèi)核的所有模塊，比如進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等，都運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。
不過(guò)，Linux 也實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)加載內(nèi)核模塊的功能，例如大部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)是以可加載模塊的形式存在的，與內(nèi)核其他模塊解藕，讓驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)和驅(qū)動(dòng)加載更為方便、靈活。
Linux是由
Linus Torvalds
開(kāi)發(fā)的
類(lèi)UNIX
的操作系統(tǒng)，Linux主要特點(diǎn)是開(kāi)源的，因此我們可以免費(fèi)使用來(lái)當(dāng)做服務(wù)器。
Linux嚴(yán)格分為兩個(gè)含義。
1.廣泛的Linux是指Linux發(fā)行版
2.狹義的Linux是指
Linux內(nèi)核
Linux內(nèi)核是操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，介于硬件和軟件之間，并且內(nèi)核位于操作系統(tǒng)中,操作系統(tǒng)將在硬件和軟件之間進(jìn)行調(diào)解，Linux內(nèi)核是操作系統(tǒng)核心部分的功能。
二：內(nèi)核的基本性能
1.流程管理
在Linux內(nèi)核中，程序的執(zhí)行狀態(tài)以進(jìn)程為單位進(jìn)行管理。此外，內(nèi)核為每個(gè)進(jìn)程準(zhǔn)備一個(gè)名為task_stract結(jié)構(gòu)的
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
。
2.進(jìn)程調(diào)度程序
可執(zhí)行狀態(tài)等待哪個(gè)進(jìn)程以哪個(gè)順序執(zhí)行,由于基本上不可能運(yùn)行比CPU數(shù)量更多的進(jìn)程，因此運(yùn)行過(guò)程的效率非常重要。
3.內(nèi)存管理
在Linux內(nèi)核中，使用
物理內(nèi)存
和虛擬內(nèi)存管理數(shù)據(jù)。通過(guò)分配對(duì)應(yīng)于物理
存儲(chǔ)器
的虛擬地址，而不是實(shí)際為每個(gè)進(jìn)程分配物理存儲(chǔ)器地址，可以使用容量遠(yuǎn)大于實(shí)際物理存儲(chǔ)器容量的存儲(chǔ)器。它使它成為可能。此外，由于每個(gè)進(jìn)程都分配了自己的虛擬地址，因此每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間是獨(dú)立的，并且不會(huì)違反其他進(jìn)程的內(nèi)存。
3.文件系統(tǒng)
它以文件的形式提供存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)方法。所有數(shù)據(jù)都以文件的形式進(jìn)行管理。/ Directory（
根目錄
）作為頂點(diǎn)，內(nèi)核本身作為文件和目錄的存在。
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