Linux 操作系統架構

下圖是一個典型的 Linux 操作系統架構圖。

Linux 操作系統主要分成兩部分：

用戶空間

內核空間

1. 用戶空間

所有的用戶應用程序都是在用戶空間運行，它們不能直接訪問內存等硬件資源，而是間接通過內核來訪問。GNU C 庫(glibc)提供了從用戶空間切換至內核空間的機制。

2. 內核空間

內核直接管理着系統的 CPU、內存、輸入輸出設備、網絡設備和其它的外圍設備，它被分爲不同模塊來管理系統的不同操作，比如：文件管理，內存管理，進程管理等等。

用戶空間的應用程序可以通過調用內核提供的 API 來訪問硬件資源。比如，對於文件操作，我們可以調用 open() ，read() ，write() 等接口。

內核直接管理着硬件，又與硬件相互獨立，它可以通過簡單配置然後運行在 Intel，ARM ，Atemel 等芯片架構上。

Linux 內核主要子系統

根據內核的核心功能，Linux 內核提出了 5 個子系統，分別爲：系統調用、進程管理、內存管理、文件系統、網絡管理，如下圖示：

1. 系統調用(System Call Interface)

系統調用接口。進程調度子系統通過系統調用接口，將需要提供給用戶空間的接口開放出去，同時屏蔽掉不需要用戶空間程序關心的細節。

SCI 實際上是一個非常有用的函數調用多路複用和多路分解服務。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實現，並在 ./linux/arch 中找到依賴於體系結構的部分。

2. 進程管理(Process Management)

用戶空間有那麼多進程，如何讓他們有條不紊地進行着正是進程管理所要做的事。每個進程都要使用到 CPU 資源(如 CPU ，內存)，但 CPU 資源畢竟有限，不可能讓某個進程一進獨佔着資源。

因此，進程管理就充當着管理員的角色，它調度着所有的進程，當需要選擇下一進程運行時，會由調度算法來選擇最需要運行的進程。如果某個進程在等待其它硬件資源，則它就會被掛起。

因此，通過一系列的調度算法，內核儘可能地公平地讓各個進程使用到 CPU 資源。

3. 內存管理(Memory Management)

內存管理主要提供對內存資源的訪問控制，以便讓各個進程可以安全地共享機器的內存資源。它提供了物理內存與虛擬內存的一種映射關係，因而不同的進程可以使用相同的虛擬內存，而這些相同的虛擬內存，可以映射到不同的物理內存上。這個映射關係主要由 MMU 來完成。

另外，內存管理會提供虛擬內存的機制，該機制可以讓進程使用多於系統可用的內存，不用的內存會通過文件系統保存在外部非易失存儲器中，需要使用的時候，再取回到內存中。

4. 虛擬文件系統(Virtual File System)

內核隱藏了不同功能的外部設備，例如硬盤、輸入輸出設備、顯示設備等等的具體細節，將它們抽象爲可以通過統一的文件操作接口(open、close、read、write等)來訪問，也就是我們所熟知的「一切皆文件」。

隨着計算機技術的發展，歷史上出現了多種文件系統，比如：FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3 等等。爲了兼容這些文件系統，內核將它們抽象爲統一的表現形式，這就是虛擬文件系統的概念。

虛擬文件系統可分爲邏輯文件系統和設備驅動程序。邏輯文件系統指 Linux 所支持的文件系統，如ext2, fat等，設備驅動程序指爲每一種硬件控制器所編寫的設備驅動程序模塊。

5. 網絡管理(Network Stack)

網絡子系統在 Linux 內核中主要負責管理各種網絡設備，並實現各種網絡協議棧，最終實現通過網絡連接其它系統的功能。

網絡接口提供了對各種網絡標準協議的存取和各種網絡硬件的支持。網絡接口可分爲網絡協議和網絡驅動程序兩部分。網絡協議部分負責實現每一種可能的網絡傳輸協議，網絡設備驅動程序負責與硬件設備進行通信，每一種可能的硬件設備都有相應的設備驅動程序。

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