Linux操作系统的概述与内核结构及编程

Posted 2023-02-07 AlexKing阁下

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux操作系统的概述与内核结构及编程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

人们常常说操作系统这个名词啊，Windows\\Linux\\MacOS可以说是世间三大巨头了。小众的我们就不说了。

我们一般在生活中只能感受到应用层,像你打开微信等操作就是来自此次，当然你也可以直接操作屏幕，按键等硬件，但其实这些还是由操作系统进行管理，才能正常被使用的。

简而言之，操作系统就做两件事情。

对于整个计算机系统的软硬件资源进行管理
给用户提供服务

我们这些内核开发人员每次都在强调有什么最优解决方案。侧面说明了操作系统的目标就2个，一个是提高资源的利用率，另一个可不就是为了方便用户使用嘛~~

欢迎各位大牛来指正！！

1、Linux的整体结构

其实Linux的结构也非常简单，一般呢，我们将其分为用户空间与内核空间。大体上就如图所示喽。

当一个应用发起请求，其实是在给系统调用请求，然后操作系统根据系统调用请求，提供相应的服务。

在这里一定要有个概念，即计算机上操作系统中的核心设计理念--机制与策略分离。

机制即提供什么功能，策略则是如何使用这些功能。这里也就明白了这边的机制与策略的隔离，用什么，不就是我们这边的系统调用嘛，那么多应用可都是调用同一个系统调用接口的。

2、单内核与微内核

Linux就是一个单内核(又称宏内核)结构，所谓单内核就是操作系统的各个子系统（后续准备写一系列Linux子系统的文章，督催自己学习的同时，分享给大家）可以直接互相调用，而微内核的概念就核心的进程间的通信中断调度等放在微内核中，而其他像文件系统，内存管理等是以服务器的方式放在外面。

单内核性能高，直接可以调用接口，但是它的维护性差。

微内核呢由于它需要和服务器进行通信，那么性能差不可避免，但是维护性好啊，最具代表性的就是谷歌的Fuchsia操作系统。

Linux可维护性差? 这时有人问了，差在哪里？那么告诉你如果你想加一个驱动，需要每次都编译Linux内核，而且它现在越来越大了，编译会变得很慢，而且冗杂在一起的代码，你不觉得可维护性比较差吗？

为解决这个问题，提出了可加载的Linux内核模块（LKM）。哎，好熟悉啊。这个呢，其实就是moduel加载。这里我们不详细叙述，后面的文章介绍驱动加载方面的知识的时候，再做分析。

3、进程概述与内存概述

运行在操作系统上的应用程序、服务及其他程序都被称为进程。由于Linux是多任务的系统，看上去是多任务并发的，其实真正正在运行的程序数量最多不过是CPU数目，原因是你所看到的各种进程是CPU不断在不同的进程间进行切换，所以感觉不出来罢了。

一般内核启动第一个进行init进程为第一个进程，作为1号父进程，其他的每个进程依赖于它。

我们可以用pstree命令看到进程树

# pstree -pinit(1)---sh(243)---pstree(346)

在linux中创建进程有两个函数：fork与exec。

除了重量级进程还有轻量级的子进程--线程，简而言之，进程可以看做是正在执行的程序，而线程则是与进程并行运行的程序函数与例程。在linux里面是使用clone方法创建线程，有关进程这块的具体调度，还是要出一版专题去讨论它。

我们再从进程角度看待整个地址空间的话，对于任何进程来讲，它只有一个地址空间，无法感知到别的进程，这就是我们常说的虚拟地址空间，为什么说他是虚拟呢，很简单，因为Linux将其分为内核空间与用户空间。

但在由于64位的系统为了优化CPU的工作量，可能使用的地址空间位数小于64位，所以上图中的简单划分不一定是完全正确。

那么如何能让虚拟地址与实际物理地址联系在一起呢，这需要将物理地址空间映射到虚拟地址空间去。Linux在这方面就是用页来表示的。而用来将虚拟地址空间映射到物理地址空间的数据结构称为页表。大家都知道内存是很大的，为每页都分配页表，这种情况很糟糕，因而产生了多级分页。Linux一般采用4级分页，PGD全局页目录；PMD中间页目录；PTE页表数组，然后再offset才能找到地址。

可以看到为了找到相应的地址，需要跨这么多数组列表，这影响效率啊，为了试图解决这个问题，CPU一般专门会有MMU与TLB。MMU优化内存访问操作，TLB是直接将访问最频繁的地址保存起来，然后直接访问即可。

在内核中，我们知道分配内存的时候，你必须先标记这个页帧（物理地址内存页）已分配或是空闲状态。为了更加快速检测内存的连续区域，内核采用了一个方案，叫伙伴系统，其实非常简单理解，就是内存中的连续的内存库，可以单独分配，当空闲的时候呢，两个连续的内存变成更大的内存块，作为下一次内存块的伙伴。

而内核还有可能要用到更小块的内存的时候，此时会用到在伙伴系统之上的一个内存管理层，我们称其为slab缓存，一般它可以用两种方法分配内存。一个是对于频繁使用的对象，内核会只定义对象实例缓存，slab自动与伙伴系统交互，并完成缓存用完后自动申请页帧。而另外一种就是我们常常在内核中使用的kmalloc和kfree。