linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析

linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析

　　“內(nèi)核”指的是一個(gè)提供硬件抽象層、磁盤及文件系統(tǒng)控制、多任務(wù)等功能的系統(tǒng)軟件。一個(gè)內(nèi)核不是一套完整的操作系統(tǒng)。一套基于Linux內(nèi)核的完整操作系統(tǒng)叫作Linux操作系統(tǒng)，或是GNU/Linux。學(xué)習(xí)啦小編為大家?guī)砹薼inux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析詳解，希望大家喜歡。

　　linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析

　　一、操作系統(tǒng)概述

　　在Richard Stevens的unix環(huán)境高級(jí)編程中這樣定義“它控制計(jì)算機(jī)硬件資源，提供程序運(yùn)行環(huán)境。一般而言我們稱這種軟件為內(nèi)核(kernel)，它相對(duì)較小，位于環(huán)境的中心”?？偨Y(jié)下就是控制硬件，提供環(huán)境。程序員主要關(guān)心的是所謂的環(huán)境，主要說下提供什么環(huán)境。

　　操作系統(tǒng)都會(huì)想它們運(yùn)行的程序提供各種服務(wù)，執(zhí)行新的程序，打開文件，讀文件，分配存儲(chǔ)空間，獲得當(dāng)前時(shí)間等(一般通過系統(tǒng)調(diào)用)。

　　廣義上，操作系統(tǒng)還有內(nèi)核外的系統(tǒng)調(diào)用，基于系統(tǒng)調(diào)用的shell(也是一種特殊的應(yīng)用程序，為其他應(yīng)用程序提供接口)和庫函數(shù)(對(duì)系統(tǒng)調(diào)用的封裝)，和基于shell，系統(tǒng)調(diào)用，庫函數(shù)(這三個(gè)東西基本組成了我們常用的環(huán)境)的應(yīng)用軟件。有圖如下：

　　在使用linux的man幫助的時(shí)候可以指定是查詢系統(tǒng)命令還是系統(tǒng)調(diào)用使用man時(shí)可以指定不同的section來瀏覽，各個(gè)section 如下：

　　1 - commands

　　2 - system calls

　　3 - library calls

　　其實(shí)還有其他的section 不常見就沒有列出來，可以man 1 chmod 也可以 man 2 chmod 得到的幫助內(nèi)容是不同的。

　　為了增加unix可移植性，IEEE定義了POSIX的標(biāo)準(zhǔn)，后來這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不只限于unix操作系統(tǒng)。POSIX標(biāo)準(zhǔn)只是定義了一套接口，并沒有規(guī)定接口的實(shí)現(xiàn)(類似于概要設(shè)計(jì))，(各個(gè)操作系統(tǒng)對(duì)接口的實(shí)現(xiàn)可能有所不同)，也沒有詳細(xì)的區(qū)分系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)，所有的例程都叫做函數(shù)。需要說明的是，并不是每個(gè)操作系統(tǒng)都嚴(yán)格遵守POSIX標(biāo)準(zhǔn)，POSIX標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在是一個(gè)很大的協(xié)議族(類似于TCP/IP)，標(biāo)準(zhǔn)很多。

　　二、Linux 是什么內(nèi)核是什么

　　Linus Torvalds1991年的一片文章上寫道“

　　LINUX is a free unix-like kernel for 386-AT computers, coming with full source code. It is meant for hackers/computer science students to use, learn and enjoy. It is written mostly inC, but parts of it are in gnu-format assembler, and the boot-sequence is in intel 086 assembly language. TheC-code is relatively ANSI, with a few GNU enhancements (mostly__asm__ andinline).

　　”-其實(shí)，linux只是一個(gè)主要用c寫的內(nèi)核。

　　從不同的角度來看，內(nèi)核擔(dān)任的角色不同。從純技術(shù)角度來看，內(nèi)核只是軟件和硬件的一個(gè)中間層，它把從軟件發(fā)來的請(qǐng)求發(fā)送給硬件，完成尋址等操作，還充當(dāng)了底層驅(qū)動(dòng)。

　　從應(yīng)用程序角度來看，內(nèi)核是對(duì)硬件的一個(gè)高層次的抽象，應(yīng)用程序與硬件沒有聯(lián)系，只與內(nèi)核有聯(lián)系，內(nèi)核是應(yīng)用程序知道的最底層。

　　從多個(gè)并發(fā)的進(jìn)程的角度來看，內(nèi)核是一個(gè)資源管理器，它完成對(duì)進(jìn)程的切換，調(diào)度，共享計(jì)算機(jī)資源(CPU，內(nèi)存，磁盤，網(wǎng)絡(luò)等)。

　　還可以把內(nèi)核看成一個(gè)庫，通過系統(tǒng)調(diào)用向內(nèi)核發(fā)送各種請(qǐng)求。

　　三、內(nèi)核有什么

　　這個(gè)問題是淘寶面試的時(shí)候問我的問題，當(dāng)時(shí)不知道從何下手，簡(jiǎn)單的總結(jié)下。有什么，最簡(jiǎn)單的就是直接看看內(nèi)核源代碼文件夾下有什么，一般內(nèi)核文件在linux的目錄/usr/src/kernels的文件夾下，我安裝的操作系統(tǒng)是redhet的，當(dāng)時(shí)沒有安裝上內(nèi)核源文件，而且即使是安裝上了也是2.6版本的，也不便于學(xué)習(xí)，所以下載了一個(gè)0.11版本的在http://www.oldlinux.org/index_cn.html上面，1.0版本及以上的可在http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/上下載到。

　　簡(jiǎn)單看下1.0版本有什么文件主要的：

　　drivers：驅(qū)動(dòng)代碼

　　fs：文件系統(tǒng)的代碼

　　include ：包含文件，這個(gè)文件利用其他模塊重建內(nèi)核

　　init：初始化代碼，內(nèi)核工作的起點(diǎn) //這里面有內(nèi)核初始化程序main.c，是內(nèi)核完成所有初始化工作并進(jìn)入正常運(yùn)行的關(guān)鍵

　　ipc：進(jìn)程間通信的相關(guān)代碼

　　kernel：主內(nèi)核的代碼 //最重要的是進(jìn)程調(diào)度函數(shù)schedule()、sleep_on()函數(shù)和有關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用程序

　　mm：內(nèi)存管理的代碼

　　net：網(wǎng)絡(luò)管理的代碼

　　0.11版本的.c文件代碼有8578行，而1.0版本里面的.c文件代碼大概有14w行，其中drives文件夾下就有7w行，2.6版本的有幾百萬行，估計(jì)那是任何大嬸也讀不完的～

　　上面簡(jiǎn)單的說明了源代碼的目錄結(jié)構(gòu)，如果從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，linux操作系統(tǒng)可以分成五個(gè)比較核心的模塊，進(jìn)程調(diào)度模塊，內(nèi)存管理模塊，文件系統(tǒng)模塊，進(jìn)程間通信模塊和網(wǎng)絡(luò)接口模塊。其中的內(nèi)存管理模塊用于確保所有的進(jìn)程能夠安全地共享機(jī)器主要內(nèi)存區(qū)，同時(shí)內(nèi)存管理模塊還支持虛擬內(nèi)存的管理方式，使得Linux支持進(jìn)程使用比實(shí)際內(nèi)存空間多的內(nèi)存容量。文件系統(tǒng)模塊用于支持對(duì)外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和存儲(chǔ)，虛擬文件系統(tǒng)模塊通過對(duì)向所有的外部存儲(chǔ)設(shè)備提供一個(gè)通用的文件接口，隱藏了各種硬件設(shè)備的不同細(xì)節(jié)，提高兼容性。下面是操作系統(tǒng)各個(gè)模塊間的簡(jiǎn)單關(guān)系，虛線和虛框表示0.11上還為實(shí)現(xiàn)。

　　從圖中可以看出，所有的模塊都與進(jìn)程調(diào)度模塊存在依賴關(guān)系，因?yàn)樗麄兌夹枰揽窟M(jìn)程調(diào)度程序來掛起(暫停)或重新運(yùn)行它們的進(jìn)程。還可以根據(jù)源代碼的結(jié)構(gòu)將內(nèi)核結(jié)構(gòu)劃分成如下的形式：