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Linux kernel 成功的兩個原因：
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架構設計支持大量的志愿開發(fā)者加入到開發(fā)過程中；
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每個子系統(tǒng)，尤其是那些需要改進的，都支持很好的擴展性。
正是這兩個原因使得 Linux kernel 可以不斷進化。
一、Linux內核在整個計算機系統(tǒng)中的位置
Fig 1 – 計算機系統(tǒng)分層結構
分層結構的原則：
the dependencies between subsystems are from the top down: layers pictured near the top depend on lower layers, but subsystems nearer the bottom do not depend on higher layers.
這種子系統(tǒng)之間的依賴性只能是從上到下，也就是圖中頂部的子系統(tǒng)依賴底部的子系統(tǒng)，反之則不行。
二、內核的作用
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虛擬化(抽象)，將計算機硬件抽象為一臺虛擬機，供用戶進程（process）使用；進程運行時完全不需要知道硬件是如何工作的，只要調用 Linux kernel 提供的虛擬接口（virtual interface）即可。
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多任務處理，實際上是多個任務在并行使用計算機硬件資源，內核的任務是仲裁對資源的使用，制造每個進程都以為自己是獨占系統(tǒng)的錯覺。
PS：進程上下文切換就是要換掉程序狀態(tài)字、換掉頁表基地址寄存器的內容、換掉 current 指向的 task_struct 實例、換掉 PC ——>也就換掉了進程打開的文件(通過 task_struct 的 files 可以找到)、換掉了進程內存的執(zhí)行空間(通過 task_struct 的 mem 可以找到)；
三、Linux內核的整體架構
Linux內核的整體架構
中心系統(tǒng)是進程調度器（Process Scheduler，SCHED）：所有其余的子系統(tǒng)都依賴于進程調度器，因為其余子系統(tǒng)都需要阻塞和恢復進程。當一個進程需要等待一個硬件動作完成 時，相應子系統(tǒng)會阻塞這個進程；當這個硬件動作完成時，子系統(tǒng)會將這個進程恢復：這個阻塞和恢復動作都要依賴于進程調度器完成。
上圖中的每一個依賴箭頭都有原因：
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進程調度器依賴內存管理器（Memory manager）：進程恢復執(zhí)行時，需要依靠內存管理器分配供它運行的內存。
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IPC 子系統(tǒng)依賴于內存管理器：共享內存機制是進程間通信的一種方法，運行兩個進程利用同一塊共享的內存空間進行信息傳遞。
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VFS 依賴于網(wǎng)絡接口（Network Interface）：支持 NFS 網(wǎng)絡文件系統(tǒng)；
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VFS 依賴于內存管理器：支持 ramdisk 設備
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內存管理器依賴于 VFS，因為要支持交換（swapping），可以將暫時不運行的進程換出到磁盤上的交換分區(qū)（swap），進入掛起狀態(tài)。
四、高度模塊化設計的系統(tǒng)，利于分工合作。
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只有極少數(shù)的程序員需要橫跨多個模塊開展工作，這種情況確實會發(fā)生，僅發(fā)生在當前系統(tǒng)需要依賴另一個子系統(tǒng)時；
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硬件設備驅動（hardware device drivers）、文件系統(tǒng)模塊（logical filesystem modules）、網(wǎng)絡設備驅動（network device drivers）和網(wǎng)絡協(xié)議模塊（network protocol modules）這四個模塊的可擴展性***。
五、系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)結構
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任務列表（Task List）
進程調度器針對每個進程維護一個數(shù)據(jù)結構 task_struct；所有的進程用鏈表管理，形成 task list；進程調度器還維護一個 current 指針指向當前正在占用 CPU 的進程。 -
內存映射（Memory Map）
內存管理器存儲每個進程的虛擬地址到物理地址的映射；并且也提供了如何換出特定的頁，或者是如何進行缺頁處理。這些信息存放在數(shù)據(jù)結構 mm_struct 中。每個進程都有一個 mm_struct 結構，在進程的 task_struct 結構中有一個指針 mm 指向次進程的 mm_struct 結構。
在 mm_struct 中有一個指針 pgd，指向該進程的頁目錄表（即存放頁目錄首地址）——>當該進程被調度時，此指針被換成物理地址，寫入控制寄存器 CR3(x86體系結構下的頁基址寄存器) -
I-nodes
VFS 通過 inodes 節(jié)點表示磁盤上的文件鏡像，inodes 用于記錄文件的物理屬性。每個進程都有一個 files_struct 結構，用于表示該進程打開的文件，在 task_struct 中有個 files 指針。使用 inodes 節(jié)點可以實現(xiàn)文件共享。文件共享有兩種方式：（1）通過同一個系統(tǒng)打開文件 file 指向同一個 inodes 節(jié)點，這種情況發(fā)生于父子進程間；（2）通過不同系統(tǒng)打開文件指向同一個 inode 節(jié)點，舉例有硬鏈接；或者是兩個不相關的指針打開同一個文件。 -
數(shù)據(jù)連接（Data Connection）
內核中所有的數(shù)據(jù)結構的根都在進程調度器維護的任務列表鏈表中。系統(tǒng)中每個進程的的數(shù)據(jù)結構 task_struct 中有一個指針 mm 指向它的內存映射信息；也有一個指針 files 指向它打開的文件（用戶打開文件表）；還有一個指針指向該進程打開的網(wǎng)絡套接字。
六、子系統(tǒng)架構
1.進程調度器（Process Scheduler）架構
（1）目標
進程調度器是 Linux kernel 中最重要的子系統(tǒng)。系統(tǒng)通過它來控制對 CPU 的訪問——不僅僅是用戶進程對 CPU 的訪問，也包括其余子系統(tǒng)對 CPU 的訪問。
（2）模塊
進程調度器
調度策略模塊（scheduling policy module）：決定哪個進程獲得對 CPU 的訪問權；調度策略應該讓所有進程盡可能公平得共享 CPU。
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體系結構相關模塊（architecture-specific module）設計一組統(tǒng)一的抽象接口來屏蔽特定體系接口芯片的硬件細節(jié)。這個模塊與 CPU 交互以阻塞和恢復進程。這些操作包括獲取每個進程需要保存的寄存器和狀態(tài)信息、執(zhí)行匯編代碼來完成阻塞或者恢復操作。
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體系結構無關模塊（architecture-independent module）與調度策略模塊交互將決定下一個執(zhí)行的進程，然后調用體系結構相關的代碼去恢復那個進程的執(zhí)行。不僅如此，這個模塊還會調用內存管理器的 接口來確保被阻塞的進程的內存映射信息被正確得保存起來。
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系統(tǒng)調用接口模塊（system call interface）允許用戶進程訪問 Linux Kernel 明確暴露給用戶進程的資源。通過一組定義合適的基本上不變的接口（POSIX 標準），將用戶應用程序和 Linux 內核解耦，使得用戶進程不會受到內核變化的影響。
（3）數(shù)據(jù)表示
調度器維護一個數(shù)據(jù)結構——task list，其中的元素時每個活動的進程 task_struct 實例；這個數(shù)據(jù)結構不僅僅包含用來阻塞和恢復進程的信息，也包含額外的計數(shù)和狀態(tài)信息。這個數(shù)據(jù)結構在整個 kernel 層都可以公共訪問。
（4）依賴關系、數(shù)據(jù)流、控制流
正如前面提到過的，調度器需要調用內存管理器提供的功能，去為需要恢復執(zhí)行的進程選擇合適的物理地址，正因為如此，所以 進程調度器子系統(tǒng)依賴于內存管理子系統(tǒng)。當其他內核子系統(tǒng)需要等待硬件請求完成時，它們都依賴于進程調度子系統(tǒng)進行進程的阻塞和恢復。這種依賴性通過函 數(shù)調用和訪問共享的 task list 數(shù)據(jù)結構來體現(xiàn)。所有的內核子系統(tǒng)都要讀或者寫代表當前正在運行進程的數(shù)據(jù)結構，因此形成了貫穿整個系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)流。
除了內核層的數(shù)據(jù)流和控制流，OS 服務層還給用戶進程提供注冊定時器的接口。這形成了由調度器對用戶進程的控制流。通常喚醒睡眠進程的用例不在正常的控制流范圍，因為用戶進程無法預知何時 被喚醒。***，調度器與 CPU 交互來阻塞和恢復進程，這又形成它們之間的數(shù)據(jù)流和控制流——CPU 負責打斷當前正在運行的進程，并允許內核調度其他的進程運行。
2.內存管理器（Memory Manager）架構
（1）目標
內存管理模塊負責控制進程如何訪問物理內存資源。通過硬件內存管理系統(tǒng)（MMU）管理進程虛擬內存和機器物理內存之間的映射。每一個進程都有自己獨 立的虛擬內存空間，所以兩個進程可能有相同的虛擬地址，但是它們實際上在不同的物理內存區(qū)域運行。MMU 提供內存保護，讓兩個進程的物理內存空間不互相干擾。內存管理模塊還支持交換——將暫時不用的內存頁換出到磁盤上的交換分區(qū)，這種技術讓進程的虛擬地址空 間大于物理內存的大小。虛擬地址空間的大小由機器字長決定。
（2）模塊
內存管理子系統(tǒng)
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架構相關模塊（architecture specific module）提供訪問物理內存的虛擬接口；
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架構無關模塊（architecture independent module）負責每個進程的地址映射以及虛擬內存交換。當發(fā)生缺頁錯誤時，由該模塊負責決定哪個內存頁應該被換出內存——因為這個內存頁換出選擇算法幾 乎不需要改動，所以這里沒有建立一個獨立的策略模塊。
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系統(tǒng)調用接口（system call interface）為用戶進程提供嚴格的訪問接口（malloc 和 free；mmap 和 ummap）。這個模塊允許用進程分配和釋放內存、執(zhí)行內存映射文件操作。
（3）數(shù)據(jù)表示
內存管理存放每個進程的虛擬內存到物理內存的映射信息。這種映射信息存放在 mm_struct 結構實例中，這個實例的指針又存放在每個進程的 task_struct 中。除了存放映射信息，數(shù)據(jù)塊中還應該存放關于內存管理器如何獲取和存儲頁的信息。例如：可執(zhí)行代碼能夠將可執(zhí)行鏡像作為備份存儲；但是動態(tài)申請的數(shù)據(jù)則 必須備份到系統(tǒng)頁中。（這個沒看懂，請高手解惑？）
***，內存管理模塊還應該存放訪問和技術信息，以保證系統(tǒng)的安全。
（4）依賴關系、數(shù)據(jù)流和控制流
內存管理器控制物理內存，當頁面失?。╬age fault）發(fā)生時，接受硬件的通知（缺頁中斷）—— 這意味著在內存管理模塊和內存管理硬件之間存在雙向的數(shù)據(jù)流和控制流。內存管理也依賴文件系統(tǒng)來支持交換和內存映射 I/O——這種需求意味著內存管理器需要調用對文件系統(tǒng)提供的函數(shù)接口（procedure calls），往磁盤中存放內存頁和從磁盤中取內存頁。因為文件系統(tǒng)請求非常慢，所以在等待內存頁被換入之前，內存管理器要讓進程需要進入休眠——這種需 求讓內存管理器調用進程調度器的接口。由于每個進程的內存映射存放在進程調度器的數(shù)據(jù)結構中，所以在內存管理器和進程調度器之間也有雙向的數(shù)據(jù)流和控制 流。用戶進程可以建立新的進程地址空間，并且能夠感知缺頁錯誤——這里需要來自內存管理器的控制流。一般來說沒有用戶進程到內存管理器的數(shù)據(jù)流，但是用戶 進程卻可以通過 select 系統(tǒng)調用，從內存管理器獲取一些信息。
3.虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System）架構
（1）目標
虛擬文件系統(tǒng)為存儲在硬件設備上數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的訪問接口?？梢约嫒莶煌奈募到y(tǒng)（ext2,ext4,ntf等等）。計算機中幾乎所有的硬件設備 都被表示為一個通用的設備驅動接口。邏輯文件系統(tǒng)促進與其他操作系統(tǒng)標準的兼容性，并且允許開發(fā)者以不同的策略實現(xiàn)文件系統(tǒng)。虛擬文件系統(tǒng)更進一步，允許 系統(tǒng)管理員在任何設備上掛載任何邏輯文件系統(tǒng)。虛擬文件系統(tǒng)封裝物理設備和邏輯文件系統(tǒng)的細節(jié)，并且允許用戶進程使用統(tǒng)一的接口訪問文件。
除了傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)目標，VFS 也負責裝載新的可執(zhí)行文件。這個任務由邏輯文件系統(tǒng)模塊完成，使得 Linux 可以支持多種可執(zhí)行文件。
（2）模塊
虛擬文件系統(tǒng)模塊
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設備驅動模塊（device driver module）
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設備獨立接口模塊（Device Independent Interface）：提供所有設備的同一視圖
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邏輯文件系統(tǒng)（logical file system）：針對每種支持的文件系統(tǒng)
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系統(tǒng)獨立接口（system independent interface）提供硬件資源和邏輯文件系統(tǒng)都無關的接口，這個模塊通過塊設備節(jié)點或者字符設備節(jié)點提供所有的資源。
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系統(tǒng)調用模塊（system call interface）提供用戶進程對文件系統(tǒng)的統(tǒng)一控制訪問。虛擬文件系統(tǒng)為用戶進程屏蔽了所有特殊的特性。
（3）數(shù)據(jù)表示
所有文件使用 inode 表示。每個 inode 都記錄一個文件在硬件設備上的位置信息。不僅如此，inode 還存放著指向邏輯文件系統(tǒng)模塊和設備驅動的的函數(shù)指針，這些指針能夠執(zhí)行具體的讀寫操作。通過按照這種形式（就是面向對象中的虛函數(shù)的思想）存放函數(shù)指 針，具體的邏輯文件系統(tǒng)和設備驅動可以向內核注冊自己而不需要內核依賴具體的模塊特性。
（4）依賴關系、數(shù)據(jù)流和控制流
一個特殊的設備驅動是 ramdisk，這個設備在主存中開辟一片區(qū)域，并把它當成持久性存儲設備使用。這個設備驅動使用內存管理模塊完成任務，所以在 VFS 與對內存管理模塊存在依賴關系（圖中的依賴關系反了，應該是 VFS 依賴于內存管理模塊）、數(shù)據(jù)流和控制流。
邏輯文件系統(tǒng)支持網(wǎng)絡文件系統(tǒng)。這個文件系統(tǒng)像訪問本地文件一樣，從另一臺機器上訪問文件。為了實現(xiàn)這個功能，一種邏輯文件系統(tǒng)通過網(wǎng)絡子系統(tǒng)完成它的任務——這引入了 VFS 對網(wǎng)絡子系統(tǒng)的一個依賴關系以及它們之間的控制流和數(shù)據(jù)流。
正如前面提到的，內存管理器使用 VFS 完成內存交換功能和內存映射 I/O。另外，當 VFS 等待硬件請求完成時，VFS 需要使用進程調度器阻塞進程；當請求完成時，VFS 需要通過進程調度器喚醒進程。***，系統(tǒng)調用接口允許用戶進程調用來存取數(shù)據(jù)。不像前面的子系統(tǒng)，VFS 沒有提供給用戶注冊不明確調用的機制，所以沒有從VFS到用戶進程的控制流。
4.網(wǎng)絡接口（Network Interface）架構
（1）目標
網(wǎng)絡子系統(tǒng)讓 Linux 系統(tǒng)能夠通過網(wǎng)絡與其他系統(tǒng)相連。這個子系統(tǒng)支持很多硬件設備，也支持很多網(wǎng)絡協(xié)議。網(wǎng)絡子系統(tǒng)將硬件和協(xié)議的實現(xiàn)細節(jié)都屏蔽掉，并抽象出簡單易用的接口供用戶進程和其他子系統(tǒng)使用——用戶進程和其余子系統(tǒng)不需要知道硬件設備和協(xié)議的細節(jié)。
（2）模塊
網(wǎng)絡協(xié)議層模塊圖
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網(wǎng)絡設備驅動模塊（network device drivers）
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設備獨立接口模塊（device independent interface module）提供所有硬件設備的一致訪問接口，使得高層子系統(tǒng)不需要知道硬件的細節(jié)信息。
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網(wǎng)絡協(xié)議模塊（network protocol modules）負責實現(xiàn)每一個網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，例如：TCP，UDP，IP，HTTP，ARP等等~
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協(xié)議無關模塊（protocol independent interface）提供獨立于具體協(xié)議和具體硬件設備的一致性接口。這使得其余內核子系統(tǒng)無需依賴特定的協(xié)議或者設備就能訪問網(wǎng)絡。
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系統(tǒng)調用接口模塊（system calls interface）規(guī)定了用戶進程可以訪問的網(wǎng)絡編程API
（3）數(shù)據(jù)表示
每個網(wǎng)絡對象都被表示為一個套接字（socket）。套接字與進程關聯(lián)的方法和 inode 節(jié)點相同。通過兩個 task_struct 指向同一個套接字，套接字可以被多個進程共享。
（4）數(shù)據(jù)流，控制流和依賴關系
當網(wǎng)絡子系統(tǒng)需要等待硬件請求完成時，它需要通過進程調度系統(tǒng)將進程阻塞和喚醒——這形成了網(wǎng)絡子系統(tǒng)和進程調度子系統(tǒng)之間的控制流和數(shù)據(jù)流。不僅如此，虛擬文件系統(tǒng)通過網(wǎng)絡子系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡文件系統(tǒng)（NFS）——這形成了 VFS 和網(wǎng)絡子系統(tǒng)指甲的數(shù)據(jù)流和控制流。
七、結論
1、Linux 內核是整個 Linux 系統(tǒng)中的一層。內核從概念上由五個主要的子系統(tǒng)構成：進程調度器模塊、內存管理模塊、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡接口模塊和進程間通信模塊。這些模塊之間通過函數(shù)調用和共享數(shù)據(jù)結構進行數(shù)據(jù)交互。
2、Linux 內核架構促進了他的成功，這種架構使得大量的志愿開發(fā)人員可以合適得分工合作，并且使得各個特定的模塊便于擴展。
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可擴展性一：Linux 架構通過一項數(shù)據(jù)抽象技術使得這些子系統(tǒng)成為可擴展的——每個具體的硬件設備驅動都實現(xiàn)為單獨的模塊，該模塊支持內核提供的統(tǒng)一的接口。通過這種方式，個人開發(fā)者只需要和其他內核開發(fā)者做最少的交互，就可以為 Linux 內核添加新的設備驅動。
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可擴展性二：Linux 內核支持多種不同的體系結構。在每個子系統(tǒng)中，都將體系結構相關的代碼分割出來，形成單獨的模塊。通過這種方法，一些廠家在推出他們自己的芯片時，他們的內核開發(fā)小組只需要重新實現(xiàn)內核中機器相關的代碼，就可以講內核移植到新的芯片上運行。
參考文章：
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http://oss.org.cn/ossdocs/linux/kernel/a1/index.html
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http://www.cs.cmu.edu/afs/cs/project/able/www/paper_abstracts/intro_softarch.html
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http://www.cs.cmu.edu/afs/cs/project/able/www/paper_abstracts/intro_softarch.html
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http://www.fceia.unr.edu.ar/ingsoft/monroe00.pdf
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內核源碼：http://lxr.oss.org.cn/
本文名稱：Linux概念架構的理解
標題來源：http://www.dlmjj.cn/article/dpjepii.html
