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。
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