【Linux内核】内核编程概述

1.GNU

GNU计划和自由软件基金会（FSF）是由Richard M.Stallman于1984年创办的，GNU是“GNU’s Not UNIX”的缩写。到20世纪90年代初，GNU项目已经开发出许多高质量的免费软件，其中包括emacs编辑系统、bash shell程序、gcc系列编译程序、GDB调试程序等。没有GNU软件环境，Linux将寸步难行。因此，严格来说，“Linux”应该称为“GNU/Linux”系统。

2.POSIX标准

POSIX（Portable Operating System Interface，可移植的操作系统接口）是由IEEE和ISO/IEC开发的一组标准。该标准基于现有的UNIX实践和经验完成，描述了操作系统的调用服务接口，用于保证编写的应用程序可以在源代码级上在多种操作系统中移植。该标准在推动Linux操作系统朝着正规化发展，是Linux前进的灯塔。

3.内核源目录结构

目录	说明
arch	包含和硬件体系结构相关的代码，每种平台占一个相应的目录，如i386、arm、arm64、powerpc、mips等。Linux内核目前已经支持30种左右的体系结构。在arch目录下，存放的是各个平台以及各个平台的芯片对Linux内核进程调度、内存管理、中断等的支持，以及每个具体的SoC和电路板的板级支持代码。
block	块设备驱动程序I/O调度。
crypto	常用加密和散列算法（如AES、SHA等），还有一些压缩和CRC校验算法。
drivers	设备驱动程序，每个不同的驱动占用一个子目录，如char、block、net、mtd、i2c等。
fs	所支持的各种文件系统，如EXT、FAT、NTFS、JFFS2等。
init	内核初始化代码。著名的start_kernel（）就位于init/main.c文件中。
ipc	进程间通信的代码。
kernel	内核最核心的部分，包括进程调度、定时器等，而和平台相关的一部分代码放在arch/*/kernel目录下。
mm	内存管理代码，和平台相关的一部分代码放在arch/*/mm目录下。

4.内核组成

Linux内核主要由进程调度（SCHED）、内存管理（MM）、虚拟文件系统（VFS）、网络接口（NET）和进程间通信（IPC）5个子系统组成。

4.1进程调度

进程调度控制系统中的多个进程对CPU的访问，使得多个进程能在CPU中“微观串行，宏观并行”地执行。

Linux的进程在几个状态间进行切换。在设备驱动编程中，当请求的资源不能得到满足时，驱动一般会调度其他进程执行，并使本进程进入睡眠状态，直到它请求的资源被释放，才会被唤醒而进入就绪状态。睡眠分成可中断的睡眠和不可中断的睡眠，两者的区别在于可中断的睡眠在收到信号的时候会醒。

4.2内存管理

内存管理的主要作用是控制多个进程安全地共享主内存区域。当CPU提供内存管理单元（MMU）时，Linux内存管理对于每个进程完成从虚拟内存到物理内存的转换。

Linux内核的内存管理总体比较庞大，包含底层的Buddy算法，它用于管理每个页的占用情况，内核空间的slab以及用户空间的C库的二次管理。另外，内核也提供了页缓存的支持，用内存来缓存磁盘，per-BDI flusher线程用于刷回脏的页缓存到磁盘。Kswapd（交换进程）则是Linux中用于页面回收（包括file-backed的页和匿名页）的内核线程，它采用最近最少使用（LRU）算法进行内存回收。

4.3虚拟文件系统

Linux虚拟文件系统隐藏了各种硬件的具体细节，为所有设备提供了统一的接口。而且，它独立于各个具体的文件系统，是对各种文件系统的一个抽象。它为上层的应用程序提供了统一的vfs_read（）、vfs_write（）等接口，并调用具体底层文件系统或者设备驱动中实现的file_operations结构体的成员函数。

4.4网络

Linux内核支持的协议栈种类较多，如Internet、UNIX、CAN、NFC、Bluetooth、WiMAX、IrDA等，上层的应用程序统一使用套接字接口。

5.参与讨论

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