Linux内核结构

Linux内核结构

一、Linux内核结构介绍

Linux内核是Linux操作系统的核心部分，负责管理计算机的硬件资源、提供系统服务、调度进程和处理设备驱动等功能。其结构采用了模块化的设计，由多个子系统和层级组成，每个子系统都负责特定的功能。以下是对Linux内核结构的详细介绍：

1.1 总体结构：

Linux内核从上到下可以分为几个主要层级，包括用户空间、系统调用接口、内核子系统等。用户空间提供了用户与内核之间的接口，包括应用程序、库函数、Shell等用户态的组件。系统调用接口则是用户空间与内核之间的桥梁，定义了用户态程序可以调用的系统调用函数，如文件操作、进程管理等。

• 进程管理：负责进程的创建、调度、同步和终止等。内核通过调度器来分配CPU时间给各个进程，并提供进程间通信和同步机制。

• 内存管理：管理计算机的物理内存和虚拟内存，包括内存的分配、回收、页面置换和内存映射等操作。内核确保每个进程都有足够的内存空间，并防止内存泄漏和冲突。

• 文件系统：提供文件系统的接口，管理文件和目录的创建、读写、删除等操作。Linux内核支持多种文件系统，如ext4、XFS、Btrfs等。

• 设备驱动：包含与硬件设备通信的驱动程序，允许操作系统控制和管理各种硬件设备，如硬盘、显示器、键盘、鼠标等。

• 网络协议栈：实现网络协议栈，支持TCP/IP等网络协议，使Linux系统能够进行网络通信和数据传输。

• 安全模块：提供安全机制，如用户和组权限管理、访问控制列表（ACL）等，以保护系统资源和数据的完整性和机密性。

• 中断处理：负责处理硬件中断和异常事件，以及调度处理器执行中断服务程序。

• 系统调用接口：为用户空间程序提供访问内核功能的接口，如打开文件、读取数据、执行系统命令等。

• 虚拟文件系统（VFS）：是一个抽象层，为不同的文件系统提供统一的接口，使得用户和程序可以通过相同的API来访问和操作文件。

• 进程描述符：每个进程在内核中都有一个进程描述符（task_struct），用于保存与该进程相关的信息，如进程ID、状态、优先级等。

这些组件一起构成了 Linux 内核的核心结构。内核的源代码是 modulized 的，允许添加或删除特定功能的模块，以适应不同的需求。整个内核的结构和实现细节非常庞大，具体的功能和特性取决于具体的内核版本和配置。

1.2 Linux内核结构框图：

内核是一个很厉害的超级逻辑，把硬件底层的东西抽象化，对用户来说只需要调API就好了，根本不需要管寄存器，协议，总线…（单片机会去直接操作），这些全部由操作系统做好。动不动写个操作系统是不现实的。

二、图解Linux系统架构

层次结构解析：

1. 用户空间（User Space）

   • 位置：最外层。
   • 内容：
     • 壳（Shell）：用户与系统交互的接口，负责接收用户的输入（如命令行指令）并传递给操作系统进一步处理。
     • 库函数：提供了一系列高级功能的封装，比如文件操作函数（open, read, write等），这些函数在内部会调用系统调用接口。
   • 特点：用户空间的应用程序和库函数运行在较低的权限级别，不能直接访问硬件资源。

2. 核心空间（Kernel Space）

   • 位置：位于用户空间和内核之间，但在这里更直接地指向了系统调用接口。
   • 内容：
     • 系统调用接口：是用户空间与内核空间之间的桥梁，定义了用户程序可以调用的函数集，如sys_open, sys_read, sys_write等，用于执行具体的文件操作。
   • 注意：虽然图示中标为“核心空间”，但通常这一层次更多地被理解为系统调用层或系统调用接口层。

3. 内核（Kernel）

   • 位置：第三层，是操作系统的核心部分。
   • 内容：
     • 内核函数：如sys_open, sys_read, sys_write等，这些函数直接由系统调用接口触发，负责执行具体的文件操作任务。
     • 其他功能：还包括进程管理、内存管理、设备驱动管理等。
   • 特点：内核运行在最高的权限级别，能够直接访问硬件资源。

4. 硬件（Hardware）

   • 位置：最内层。
   • 内容：包括处理器（CPU）、存储设备、输入输出设备等物理硬件。
   • 特点：所有软件层面的操作最终都会映射到硬件上的具体指令或操作，实现数据的读写、设备的控制等功能。

• “比如：应用 我们自己实现的文件拷贝程序”：它暗示了用户通过编写应用程序（位于用户空间），利用库函数（如open, read, write），通过系统调用接口与内核交互，最终由内核完成文件数据的读取、复制和写入操作，整个过程涉及了从用户空间到硬件的多个层次。

三、shell

Linux中的shell是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。具体来说，shell是一个在Linux内核与用户之间的解释器程序，它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行。以下是关于Linux中shell的详细解释：

3.1 shell的含义：

• 英文含义：shell的英文原意是“壳”，在Linux中，它相对于内核来说，是构建在内核之上的一个用户层界面，类似于一个包裹在内核外面的壳。
• 功能定位：shell是用户与Linux系统交互的桥梁，用户通过shell输入命令，shell将这些命令转换成系统可以理解的指令，然后交给内核执行。

3.2 shell的作用：

1. 命令解释器：shell可以解析用户输入的命令，并将其转换成系统可执行的指令。
2. 脚本编程：shell有自己的编程语言，允许用户编写由shell命令组成的程序，这些程序可以自动化执行一系列命令或任务。
3. 环境配置：shell还负责配置用户的工作环境，包括设置环境变量、定义搜索路径等。
4. 管道和重定向：shell支持管道和重定向功能，可以将一个命令的输出作为另一个命令的输入，或者将命令的输入/输出重定向到文件中。
5. 用户和权限管理：shell可以用于管理用户和权限，包括用户的创建、删除、修改密码以及文件和目录的权限设置等。

3.3 shell的类型：

Linux中常见的shell类型包括Bash（Bourne Again SHell）、Z Shell（Zsh）、C Shell（Csh）等。其中，Bash是最常用的shell之一，它提供了丰富的功能和良好的兼容性。

3.4 shell的使用：

用户可以通过终端（Terminal）或图形界面的终端模拟器（如GNOME Terminal、KDE Konsole等）来访问shell。在shell中，用户可以输入命令并查看执行结果。此外，用户还可以编写shell脚本来自动化执行一系列命令或任务。

3.5 shell的权限：

在Linux系统中，每个文件和目录都有自己的权限设置，这些权限决定了哪些用户或用户组可以对其进行读、写或执行操作。shell命令的执行也受到权限的限制，只有具有相应权限的用户才能执行特定的命令。

中，每个文件和目录都有自己的权限设置，这些权限决定了哪些用户或用户组可以对其进行读、写或执行操作。shell命令的执行也受到权限的限制，只有具有相应权限的用户才能执行特定的命令。

• 综上所述一句话说明shell：shell也是一个应用程序，给用户提供了操纵内核的工具。一个shell对应一个终端（terminal），在终端输入的指令就会直接传递给shell进行解释，然后对内核进行相应的操作。