Linux 内核辨析

Linux 内核剖析

由于本文的目标是对 Linux 内核进行介绍并探索其体系结构和主要组件，因此首先回顾一下 Linux 的简短历史，然后从较高的层次审视 Linux 内核的体系结构，最后介绍它的主要子系统。Linux 内核具有超过 600 万行的代码，因此本文不可能进行完整的介绍。请使用指向其他内容的链接进一步学习。

Linux 还是 GNU/Linux？
您可能已经注意到 Linux 作为一个操作系统来说，有时会称为 “Linux”，有时却称为 “GNU/Linux”。这背后的原因在于 Linux 实际上是操作系统的内核。使这个操作系统变得非常有用的大量应用程序是?GNU 软件。例如，窗口系统、编译器、各种 shell、开发工具、编辑器、实用工具以及内核之外的其他应用程序，其中很多都是 GNU 软件。由于这个原因，很多人都认为 “GNU/Linux” 更适合作为操作系统的名字，而 “Linux” 则适合作为内核的名字。

尽管 Linux 绝对是最流行的开源操作系统，但是相对于其他操作系统的漫长历史来说，Linux 的历史非常短暂。在计算机出现早期，程序员是使用硬件语言在裸硬件上进行开发的。缺少操作系统就意味着在某个时间只有一个应用程序（和一个用户）可以使用这些庞大而又昂贵的设备。早期的操作系统是在 20 世纪 50 年代开发的，用来提供简单的开发体验。包括为 IBM 701 开发的 General Motors Operating System（GMOS）和 North American Aviation 为 IBM 709 开发的 FORTRAN Monitor System（FMS）。

在 20 世纪 60 年代，MIT（Massachusetts Institute of Technology）和一些公司为 GE-645 开发了一个名为 Multics（Multiplexed Information and Computing Service）的实验性的操作系统。这个操作系统的开发者之一 AT&T 后来退出了 Multics，并在 1970 年开发了自己的名为 Unics 的操作系统。与这个操作系统一同诞生的是 C 语言，C 语言就是为此而开发的，然后它们使用 C 语言对操作系统进行了重写，使操作系统开发具有可移植性。

二十年后，Andrew Tanenbaum 创建了一个微内核版本的 UNIX?，名为 MINIX（代表 minimal UNIX），它可以在小型的个人计算机上运行。这个开源操作系统在 20 世纪 90 年代激发了 Linus Torvalds 开发 Linux 的灵感（请参看图 1 所示）。

Linux 快速从一个个人项目进化成为一个全球数千人参与的开发项目。对于 Linux 来说，最为重要的决策之一是采用 GPL（GNU General Public License）。在 GPL 保护之下，Linux 内核可以防止商业使用，并且它还从 GNU 项目（Richard Stallman 开发，其源代码要比 Linux 内核大得多）的用户空间开发受益。这允许使用一些非常有用的应用程序，例如 GCC（GNU Compiler Collection）和各种 shell 支持。

?
系统调用接口（SCI）的方法
实际上，体系结构可能并不像图 2 所示的一样清晰。例如，处理系统调用（从用户空间切换到内核空间）的机制可能在各个体系结构上都不相同。提供了对虚拟化指令支持的新型 x86 中央处理单元（CPU）在这方面要比使用传统 int 80h 方法的老式 x86 处理器更加高效。

最上面是用户（或应用程序）空间。这是用户应用程序执行的地方。用户空间之下是内核空间，Linux 内核正是位于这里。

GNU C Library （glibc）也在这里。它提供了连接内核的系统调用接口，还提供了在用户空间应用程序和内核之间进行转换的机制。这点非常重要，因为内核和用户空间的应用程序使用的是不同的保护地址空间。每个用户空间的进程都使用自己的虚拟地址空间，而内核则占用单独的地址空间。 更多信息，请参看?参考资料?一节中的链接。

Linux 内核可以进一步划分成 3 层。最上面是系统调用接口，它实现了一些基本的功能，例如?read?和?write。系统调用接口之下是内核代码，可以更精确地定义为独立于体系结构的内核代码。这些代码是 Linux 所支持的所有处理器体系结构所通用的。在这些代码之下是依赖于体系结构的代码，构成了通常称为 BSP（Board Support Package）的部分。这些代码用作给定体系结构的处理器和特定于平台的代码。

回页首

?

内核是什么？
如?图 3?所示，内核实际上仅仅是一个资源管理器。不管被管理的资源是进程、内存还是硬件设备，内核负责管理并裁定多个竞争用户对资源的访问（既包括内核空间也包括用户空间）。

进程管理的重点是进程的执行。在内核中，这些进程称为线程，代表了单独的处理器虚拟化（线程代码、数据、堆栈和 CPU 寄存器）。在用户空间，通常使用进程?这个术语，不过 Linux 实现并没有区分这两个概念（进程和线程）。内核通过 SCI 提供了一个应用程序编程接口（API）来创建一个新进程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSIX] 函数），停止进程（kill、exit），并在它们之间进行通信和同步（signal 或者 POSIX 机制）。

进程管理还包括处理活动进程之间共享 CPU 的需求。内核实现了一种新型的调度算法，不管有多少个线程在竞争 CPU，这种算法都可以在固定时间内进行操作。这种算法就称为 O(1) 调度程序，这个名字就表示它调度多个线程所使用的时间和调度一个线程所使用的时间是相同的。 O(1) 调度程序也可以支持多处理器（称为对称多处理器或 SMP）。您可以在 ./linux/kernel 中找到进程管理的源代码，在 ./linux/arch 中可以找到依赖于体系结构的源代码。在?参考资料?一节中可以了解有关这个算法的更多内容。

?

在 VFS 上面，是对诸如 open、close、read 和 write 之类的函数的一个通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系统抽象，它定义了上层函数的实现方式。它们是给定文件系统（超过 50 个）的插件。文件系统的源代码可以在 ./linux/fs 中找到。

文件系统层之下是缓冲区缓存，它为文件系统层提供了一个通用函数集（与具体文件系统无关）。这个缓存层通过将数据保留一段时间（或者随即预先读取数据以便在需要是就可用）优化了对物理设备的访问。缓冲区缓存之下是设备驱动程序，它实现了特定物理设备的接口。

回页首

回页首

分享这篇文章......?

?

?

本文对 Linux 内核体系结构及其特性和功能进行了简要介绍。有关内核的详细内容，可以参考每个 Linux 发行版中附带的 Documentation 目录。请一定查看本文末尾的?参考资料?一节，了解有关本文中所讨论主题的更详细信息。

M. Tim Jones 是一名嵌入式软件工程师，他是?GNU/Linux Application Programming、AI Application Programming?以及?BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective?等书的作者。他的工程背景非常广泛，从同步宇宙飞船的内核开发到嵌入式架构设计，再到网络协议的开发。Tim 是位于科罗拉多州 Longmont 的 Emulex Corp. 的一名顾问工程师。