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    linux内核的子系统有哪些

    青灯夜游青灯夜游2021-11-26 10:47:27原创79

    linux内核的子系统有5个:1、 进程调度控制系统(SCHED);2、内存管理系统(MM),主要作用是控制多个进程安全地共享主内存区域;3、虚拟文件系统(VFS);4、网络接口(NET);5、进程间通信(IPC)。

    本教程操作环境:Ubuntu 16.04系统、Dell G3电脑。

    内核:

    在计算机科学中是一个用来管理软件发出的数据I/O(输入与输出)要求的计算机程序,将这些要求转译为数据处理的指令并交由中央处理器(CPU)及计算机中其他电子组件进行处理,是现代操作系统中最基本的部分。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件,这种访问是有限的,并由内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。直接对硬件操作是非常复杂的。所以内核通常提供一种硬件抽象的方法,来完成这些操作。通过进程间通信机制及系统调用,应用进程可间接控制所需的硬件资源(特别是处理器及IO设备)。

    linux内核的子系统有哪些

    Linux内核主要由进程调度(SCHED)、内存管理(MM)、虚拟文件系统(VFS)、网络接口(NET)和进程间通信(IPC)5个子系统组成,如下图所示。

    1.png

    1、进程调度

    进程调度控制系统中的多个进程对CPU的访问,使得多个进程能在CPU中“微观串行,宏观并行”地执行。进程调度处于系统的中心位置,内核中其他的子系统都依赖它,因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。

    如下图所示,Linux的进程在几个状态间进行切换。


    Linux进程状态转换

    在设备驱动编程中,当请求的资源不能得到满足时,驱动一般会调度其他进程执行,并使本进程进入睡眠状态,直到它请求的资源被释放,才会被唤醒而进入就绪状态。睡眠分成可中断的睡眠和不可中断的睡眠,两者的区别在于可中断的睡眠在收到信号的时候会醒。

    完全处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程甚至都无法被“杀死”,所以Linux 2.6.26之后的内核也存在一种TASK_KILLABLE的状态,它等于“TASK_WAKEKILL|TASK_UNINTERRUPTIBLE”,可以响应致命信号。

    在Linux内核中,使用task_struct结构体(include/linux/sched.h)来描述进程,该结构体中包含描述该进程内存资源、文件系统资源、文件资源、tty资源、信号处理等的指针。Linux的线程采用轻量级进程模型来实现,在用户空间通过pthread_create()API创建线程的时候,本质上内核只是创建了一个新的task_struct,并将新task_struct的所有资源指针都指向创建它的那个task_struct的资源指针。

    绝大多数进程(以及进程中的多个线程)是由用户空间的应用创建的,当它们存在底层资源和硬件访问的需求时,会通过系统调用进入内核空间。有时候,在内核编程中,如果需要几个并发执行的任务,可以启动内核线程,这些线程没有用户空间。启动内核线程的函数为:pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags);

    2、内存管理

    内存管理的主要作用是控制多个进程安全地共享主内存区域。当CPU提供内存管理单元(MMU)时,Linux内存管理对于每个进程完成从虚拟内存到物理内存的转换。Linux 2.6引入了对无MMU CPU的支持。

    如图所示,一般而言,32位处理器的Linux的每个进程享有4GB的内存空间,0~3GB属于用户空间,3~4GB属于内核空间,内核空间对常规内存、I/O设备内存以及高端内存有不同的处理方式。内核空间和用户空间的具体界限是可以调整的,在内核配置选项Kernel Features→Memory split下,可以设置界限为2GB或者3GB。


    Linux进程地址空间

    如上图所示,Linux内核的内存管理总体比较庞大,包含底层的Buddy(伙伴)算法,它用于管理每个页的占用情况,内核空间的slab分配器以及用户空间的C库的二次管理。另外,内核也提供了页缓存的支持,用内存来缓存磁盘,per backing device info flusher线程用于刷回脏的页缓存到磁盘。Kswapd(交换进程)则是Linux中用于页面回收(包括file-backed的页和匿名页)的内核线程,它采用最近最少使用(LRU)算法进行内存回收。

    3、虚拟文件系统

    如图所示,


    Linux虚拟文件系统

    Linux虚拟文件系统隐藏了各种硬件的具体细节,为所有设备提供了统一的接口。而且,它独立于各个具体的文件系统,是对各种文件系统的一个抽象。它为上层的应用程序提供了统一的vfs_read()、vfs_write()等接口,并调用具体底层文件系统或者设备驱动中实现的file_operations结构体的成员函数。

    4、网络接口

    网络接口提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。如图3.8所示,在Linux中网络接口可分为网络协议和网络驱动程序,网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议,网络设备驱动程序负责与硬件设备通信,每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。


    Linux网络体系结构

    Linux内核支持的协议栈种类较多,如Internet、UNIX、CAN、NFC、Bluetooth、WiMAX、IrDA等,上层的应用程序统一使用套接字接口。

    5、进程间通信

    进程间通信支持进程之间的通信,Linux支持进程间的多种通信机制,包含信号量、共享内存、消息队列、管道、UNIX域套接字等,这些机制可协助多个进程、多资源的互斥访问、进程间的同步和消息传递。在实际的Linux应用中,人们更多地趋向于使用UNIX域套接字,而不是System V IPC中的消息队列等机制。Android内核则新增了Binder进程间通信方式。

    Linux内核5个组成部分之间的依赖关系如下:

    除了这些依赖关系外,内核中的所有子系统还要依赖于一些共同的资源。这些资源包括所有子系统都用到的API,如分配和释放内存空间的函数、输出警告或错误消息的函数及系统提供的调试接口等。

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