linux核心的子系統有哪些

linux核心的子系統有5個：1、 進程調度控制系統（SCHED）；2、記憶體管理系統（MM），主要作用是控制多個進程安全地共享主記憶體區域；3、虛擬檔案系統（VFS）；4、網路介面（NET）；5、進程間通訊（IPC）。

本教學操作環境：Ubuntu 16.04系統、Dell G3電腦。

核心：

在電腦科學中是一個用來管理軟體發出的資料I/O（輸入與輸出）要求的電腦程序，將這些要求轉譯為資料處理的指令並交由中央處理器（CPU）及電腦中其他電子組件處理，是現代作業系統中最基本的部分。它是為眾多應用程式提供對電腦硬體的安全存取的一部分軟體，這種存取是有限的，並由核心決定一個程式在什麼時候對某部分硬體操作多長時間。直接對硬體操作是非常複雜的。所以核心通常提供一種硬體抽象的方法，來完成這些操作。透過進程間通訊機制及系統調用，應用程式可間接控制所需的硬體資源（特別是處理器及IO設備）。

linux核心的子系統有哪些

Linux核心主要由進程調度（SCHED）、記憶體管理（MM）、虛擬檔案系統（VFS）、網路介面（NET）和進程間通訊（IPC）5個子系統組成，如下圖所示。

1、程式調度

    程式調度控制系統中的多個進程對CPU的訪問，使得多個進程能在CPU中「微觀串行，宏觀並行」地執行。進程調度處於系統的中心位置，核心中其他的子系統都依賴它，因為每個子系統都需要掛起或恢復進程。

    如下圖所示，Linux的進程在幾個狀態之間切換。

Linux進程狀態轉換

    在裝置驅動程式設計中，當請求的資源無法滿足時，驅動一般會調度其他進程執行，並使本進程進入睡眠狀態，直到它所要求的資源被釋放，才會被喚醒而進入就緒狀態。睡眠分成可中斷的睡眠和不可中斷的睡眠，兩者的差異在於可中斷的睡眠在收到訊號的時候會醒。

    完全處於TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態的進程甚至都無法被“殺死”，所以Linux 2.6.26之後的內核也存在一種TASK_KILLABLE的狀態，它等於“TASK_WAKEKILL|TASK_UNINTERRUPTIBLE”，可以響應致命信號。

    在Linux核心中，使用task_struct結構體（include/linux/sched.h）來描述進程，該結構體中包含描述該進程記憶體資源、檔案系統資源、檔案資源、tty資源、訊號處理等的指針。 Linux的執行緒採用輕量級進程模型來實現，在用戶空間透過pthread_create（）API建立執行緒的時候，本質上核心只是建立了一個新的task_struct，並將新task_struct的所有資源指標都指向建立它的那個task_struct的資源指標。

    絕大多數行程（以及行程中的多個執行緒）是由使用者空間的應用程式所建立的，當它們存在底層資源和硬體存取的需求時，會透過系統呼叫進入核心空間。有時候，在核心程式設計中，如果需要幾個並發執行的任務，可以啟動核心線程，這些線程沒有使用者空間。啟動核心執行緒的函式為：pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags);

##2、記憶體管理

#    記憶體管理的主要功能是控制多個進程安全地共享主記憶體區域。當CPU提供記憶體管理單元（MMU）時，Linux記憶體管理對於每個程序完成從虛擬記憶體到實體記憶體的轉換。 Linux 2.6引入了對無MMU CPU的支援。

    如圖所示，一般而言，32位元處理器的Linux的每個進程享有4GB的記憶體空間，0~3GB屬於用戶空間，3~4GB屬於核心空間，核心空間對常規內存、I/O裝置記憶體以及高階記憶體有不同的處理方式。核心空間和使用者空間的具體界限是可以調整的，在核心配置選項Kernel Features→Memory split下，可以設定界限為2GB或3GB。

Linux進程位址空間

    如上圖所示，Linux核心的記憶體管理整體較為龐大，包含底層的Buddy（夥伴）演算法，它用於管理每頁的佔用情況，內核空間的slab分配器以及用戶空間的C庫的二次管理。另外，核心也提供了頁快取的支持，用記憶體來快取磁碟，per backing device info flusher執行緒用來刷回髒的頁快取到磁碟。 Kswapd（交換程序）則是Linux中用於頁面回收（包括file-backed的頁和匿名頁）的核心線程，它採用最近最少使用（LRU）演算法進行記憶體回收。

3、虛擬檔案系統

#    如圖所示，

Linux虛擬檔案系統

    Linux虛擬檔案系統隱藏了各種硬體的特定細節，為所有裝置提供了統一的介面。而且，它獨立於各個特定的檔案系統，是對各種檔案系統的抽象。它為上層的應用程式提供了統一的vfs_read（）、vfs_write（）等接口，並調用具體底層文件系統或設備驅動中實現的file_operations結構體的成員函數。

4、網路介面

    網路介面提供了各種網路標準的存取和各種網路硬體的支援。如圖3.8所示，在Linux中網路介面可分為網路協定和網路驅動程序，網路協定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通信，每一種可能的硬體設備都有對應的設備驅動程式。

Linux網路體系結構

    Linux核心支援的協定堆疊種類較多，如Internet、UNIX、CAN、NFC、Bluetooth、WiMAX、IrDA等，上層的應用程式統一使用套接字介面。

5、進程間通訊

    進程間通訊支援進程之間的通信，Linux支援進程間的多種通訊機制，包含信號量、共享記憶體、訊息佇列、管道、UNIX域套接字等，這些機制可協助多個進程、多資源的互斥存取、進程間的同步和訊息傳遞。在實際的Linux應用程式中，人們更趨向於使用UNIX域套接字，而不是System V IPC中的消息佇列等機制。 Android核心則新增了Binder進程間通訊方式。

Linux核心5個組成部分之間的依賴關係如下：

• 進程調度與記憶體管理之間的關係：這兩個子系統互相依賴。在多程式環境下，程式要運行，則必須為之建立進程，而創建進程的第一件事情，就是將程式和資料裝入記憶體。

• 進程間通訊與記憶體管理的關係：進程間通訊子系統要依賴記憶體管理支援共享記憶體通訊機制，這種機制允許兩個行程除了擁有自己的私有空間之外，還可以訪問共同的記憶體區域。

• 虛擬檔案系統與網路介面之間的關係：虛擬檔案系統利用網路介面支援網路檔案系統（NFS），也利用記憶體管理支援RAMDISK設備。

• 記憶體管理與虛擬檔案系統之間的關係：記憶體管理利用虛擬檔案系統支援交換，交換進程定期由調度程式調度，這也是記憶體管理依賴進程調度的原因。當一個進程存取的記憶體映射被換出時，記憶體管理向虛擬檔案系統發出請求，同時，掛起目前正在運行的進程。

    除了這些依賴關係外，核心中的所有子系統還要依賴一些共同的資源。這些資源包括所有子系統都用到的API，如分配和釋放記憶體空間的函數、輸出警告或錯誤訊息的函數及系統提供的偵錯介面等。

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