Linux 内核架构入门:从基础概念到面试指南*

1. 引言

Linux 内核是现代操作系统的核心,负责管理硬件资源、提供系统调用、处理进程调度等功能。对于初学者来说,理解 Linux 内核的架构是深入操作系统开发的第一步。本篇博文将详细介绍 Linux 内核的架构体系,结合硬件、子系统及软件支持的层次关系,讲解各子系统的作用,并提供面试常见问题及解析,帮助你快速入门并掌握关键知识点。

2. Linux 内核架构概览

Linux 内核可按照层次结构划分为多个模块化组件,每个部分负责不同的功能,共同协作提供高效、稳定的系统环境。
在这里插入图片描述

2.1 Linux 内核的分层架构

根据系统功能,Linux 内核可以分为以下主要层次:

  • 用户空间(User Space)

    • 提供系统调用接口,应用程序通过 API 访问内核功能。
    • 主要由 GNU C Library(glibc)和 Shell 组成。
  • 内核空间(Kernel Space)

    • 进程管理(Process Management):调度进程、管理多任务。
    • 内存管理(Memory Management):虚拟内存、分页机制、交换空间。
    • 文件系统(File System):文件目录管理、VFS 抽象层。
    • 设备驱动(Device Drivers):连接硬件和内核,如存储、网络、字符设备。
    • 网络子系统(Networking):TCP/IP 协议栈,支持网络通信。
    • 中断与同步(Interrupts & Synchronization):中断处理、锁机制、并发控制。
  • 硬件层(Hardware Layer)

    • 物理 CPU、内存、磁盘、输入输出设备、网络接口等。
    • 通过设备驱动与内核交互。

2.2 进程管理(Process Management)

  • 进程控制:Linux 内核管理的基本单元,负责进程的创建、调度、终止。
  • 进程调度
    • 使用 CFS(Completely Fair Scheduler)进行调度。
    • 采用 红黑树 存储 vruntime 值,优先调度 vruntime 最小的进程。
  • 进程间通信(IPC)
    • 共享内存、消息队列、管道、信号量。
  • 系统调用
    • fork() 创建新进程。
    • execve() 运行新程序。
    • waitpid() 等待子进程终止。

2.3 内存管理(Memory Management)

  • 虚拟内存管理
    • 使用 MMU(Memory Management Unit)管理虚拟地址和物理地址映射。
  • 分页机制
    • 分页存储,提供进程间内存隔离。
  • 内存分配策略
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