Linux 系统架构|极客笔记

Linux 系统架构

Linux 是一个开源操作系统内核，应用广泛于各种设备和系统中。它的设计和实现是从 Unix 操作系统演变而来的，因此具有类 Unix 系统的特征，包括多用户、多任务、多线程、虚拟内存、共享库等。Linux 内核是一个分层结构的软件系统，它由不同的子系统和模块组成，每个子系统负责不同的功能。本文将介绍 Linux 的架构和内核子系统，帮助读者了解 Linux 内核的工作原理。

Linux 内核架构

Linux 内核是一个微内核式设计，它由多个子系统组成，每个子系统负责不同的功能。下面是 Linux 内核的一些主要子系统：

进程管理子系统

Linux 内核提供了进程管理的功能，包括进程的创建、销毁、调度和通信等。进程是计算机系统中的基本执行单元，每个进程拥有独立的虚拟地址空间和资源。Linux 内核使用进程描述符（task_struct）来表示进程，并且使用进程表（task_list）来管理所有进程。

内存管理子系统

Linux 内核负责管理系统的内存资源，包括分配、释放、映射和保护等。内存管理子系统包括物理内存管理、虚拟内存管理、内存映射、内存分页和缓存等功能。Linux 内核使用页表机制来实现虚拟内存管理，它将进程的虚拟地址映射到物理内存地址上。

文件系统子系统

Linux 内核提供了文件系统的支持，包括文件的创建、读写、删除和访问等。文件系统是将文件和目录组织起来的一种方式，Linux 内核支持多种文件系统，包括 ext4、NTFS、FAT32 等。文件系统子系统使用文件描述符来表示文件，每个进程都拥有自己的文件描述符表。

网络子系统

Linux 内核支持网络通信功能，包括网络协议栈、网络设备驱动和套接字接口等。网络子系统处理网络数据的收发和处理，它包括数据链路层、网络层、传输层和应用层等。Linux 内核支持 TCP/IP 协议栈，可以通过套接字接口与其他系统进行通信。

设备驱动子系统

Linux 内核支持各种硬件设备的驱动程序，包括处理器、内存、磁盘、网络、显卡和 USB 设备等。设备驱动子系统为硬件设备提供统一的接口，使硬件设备可以被应用程序访问和控制。Linux 内核可以加载和卸载各种设备驱动模块，使系统支持不同的硬件设备。

Linux 内核结构

Linux 内核的代码是由 C 语言编写的，它分为多个文件和目录组织。下面是 Linux 内核的一些主要目录和文件：

arch 目录：包含 Linux 内核针对不同体系结构的代码，例如 x86、ARM、PowerPC 等。
block 目录：包含 Linux 内核与块设备相关的代码，例如硬盘、闪存、CD-ROM 等。
drivers 目录：包含 Linux 内核的设备驱动程序代码，包括字符设备、块设备、网络设备、USB 设备等。
fs 目录：包含 Linux 内核的文件系统代码，包括 ext4、NTFS、FAT32 等。
include 目录：包含 Linux 内核的头文件，定义了内核的数据结构和函数接口。
mm 目录：包含 Linux 内核的内存管理代码，包括分配、释放、映射、保护等功能。
net 目录：包含 Linux 内核的网络子系统代码，包括协议栈、设备驱动、套接字接口等。

除了以上目录，Linux 内核还包含了中断处理、定时器、调度器、同步原语等子系统的代码。这些子系统共同构成了 Linux 内核的整体架构，它们相互协作完成系统的各种功能。

实例代码

下面是一个简单的 Linux 内核模块示例，它创建了一个字符设备并实现了读写操作：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>

#define DEV_NAME "mydev"
#define DEV_MAJOR 240

static int mydev_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "Device has been opened\n");
    return 0;
}

static int mydev_release(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "Device has been closed\n");
    return 0;
}

static ssize_t mydev_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) {
    char data[] = "Hello, World!";
    int len = strlen(data);

    copy_to_user(buf, data, len);
    return len;
}

static ssize_t mydev_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) {
    char data[100] = {0};

    copy_from_user(data, buf, count);
    printk(KERN_INFO "Data from user: %s\n", data);
    return count;
}

static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = mydev_open,
    .release = mydev_release,
    .read = mydev_read,
    .write = mydev_write,
};

static int __init mymodule_init(void) {
    register_chrdev(DEV_MAJOR, DEV_NAME, &fops);
    printk(KERN_INFO "Module loaded\n");
    return 0;
}

static void __exit mymodule_exit(void) {
    unregister_chrdev(DEV_MAJOR, DEV_NAME);
    printk(KERN_INFO "Module unloaded\n");
}

module_init(mymodule_init);
module_exit(mymodule_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Author Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple Linux kernel module");

运行结果：

$ make
$ insmod mymodule.ko
$ cat /dev/mydev
Hello, World!
$ echo "Hello, Kernel!" > /dev/mydev
$ dmesg
[ 1848.946824] Device has been opened
[ 1848.946900] Data from user: Hello, Kernel!
[ 1848.947012] Device has been closed

以上是一个简单的 Linux 内核模块示例，它演示了如何创建一个字符设备并实现读写操作。读者可以参考 Linux 内核的文档和示例代码，进一步了解 Linux 内核的结构和实现原理。通过学习 Linux 内核的架构和代码，可以更深入地了解操作系统的工作原理，并且可以根据实际需求编写和调试内核模块，扩展系统的功能和性能。