M. Tim Jones (mtj@mtjones.com), 顧問工程師, Emulex

2007 年 7 月 02 日

歷史和體系結構分析

Linux® 內(nèi)核是一個龐大而復雜的操作系統(tǒng)的核心，不過盡管龐大，但是卻采用子系統(tǒng)和分層的概念很好地進行了組織。在本文中，您將探索 Linux 內(nèi)核的總體結構，并學習一些主要的子系統(tǒng)和核心接口。您還可以通過其他 IBM 文章的鏈接更深入地進行學習。

由于本文的目標是對 Linux 內(nèi)核進行介紹并探索其體系結構和主要組件，因此首先回顧一下 Linux 的簡短歷史，然后從較高的層次審視 Linux 內(nèi)核的體系結構，最后介紹它的主要子系統(tǒng)。Linux 內(nèi)核具有超過 600 萬行的代碼，因此本文不可能進行完整的介紹。請使用指向其他內(nèi)容的鏈接進一步學習。

Linux 的簡短歷史

Linux 還是 GNU/Linux？ 您可能已經(jīng)注意到 Linux 作為一個操作系統(tǒng)來說，有時會稱為 “Linux”，有時卻稱為 “GNU/Linux”。這背后的原因在于 Linux 實際上是操作系統(tǒng)的內(nèi)核。使這個操作系統(tǒng)變得非常有用的大量應用程序是 GNU 軟件。例如，窗口系統(tǒng)、編譯器、各種 shell、開發(fā)工具、編輯器、實用工具以及內(nèi)核之外的其他應用程序，其中很多都是 GNU 軟件。由于這個原因，很多人都認為 “GNU/Linux” 更適合作為操作系統(tǒng)的名字，而 “Linux” 則適合作為內(nèi)核的名字。

盡管 Linux 絕對是最流行的開源操作系統(tǒng)，但是相對于其他操作系統(tǒng)的漫長歷史來說，Linux 的歷史非常短暫。在計算機出現(xiàn)早期，程序員是使用硬件語言在裸硬件上進行開發(fā)的。缺少操作系統(tǒng)就意味著在某個時間只有一個應用程序（和一個用戶）可以使用這些龐大而又昂貴的設備。早期的操作系統(tǒng)是在 20 世紀 50 年代開發(fā)的，用來提供簡單的開發(fā)體驗。包括為 IBM 701 開發(fā)的 General Motors Operating System（GMOS）和 North American Aviation 為 IBM 709 開發(fā)的 FORTRAN Monitor System（FMS）。

在 20 世紀 60 年代，MIT（Massachusetts Institute of Technology）和一些公司為 GE-645 開發(fā)了一個名為 Multics（Multiplexed Information and Computing Service）的實驗性的操作系統(tǒng)。這個操作系統(tǒng)的開發(fā)者之一 AT&T 后來退出了 Multics，并在 1970 年開發(fā)了自己的名為 Unics 的操作系統(tǒng)。與這個操作系統(tǒng)一同誕生的是 C 語言，C 語言就是為此而開發(fā)的，然后它們使用 C 語言對操作系統(tǒng)進行了重寫，使操作系統(tǒng)開發(fā)具有可移植性。

二十年后，Andrew Tanenbaum 創(chuàng)建了一個微內(nèi)核版本的 UNIX®，名為 MINIX（代表 minimal UNIX），它可以在小型的個人計算機上運行。這個開源操作系統(tǒng)在 20 世紀 90 年代激發(fā)了 Linus Torvalds 開發(fā) Linux 的靈感（請參看圖 1 所示）。

Linux 快速從一個個人項目進化成為一個全球數(shù)千人參與的開發(fā)項目。對于 Linux 來說，最為重要的決策之一是采用 GPL（GNU General Public License）。在 GPL 保護之下，Linux 內(nèi)核可以防止商業(yè)使用，并且它還從 GNU 項目（Richard Stallman 開發(fā)，其源代碼要比 Linux 內(nèi)核大得多）的用戶空間開發(fā)受益。這允許使用一些非常有用的應用程序，例如 GCC（GNU Compiler Collection）和各種 shell 支持。

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Linux 內(nèi)核簡介

現(xiàn)在讓我們從一個比較高的高度來審視一下 GNU/Linux 操作系統(tǒng)的體系結構。您可以從兩個層次上來考慮操作系統(tǒng)，如圖 2 所示。

系統(tǒng)調(diào)用接口（SCI）的方法 實際上，體系結構可能并不像圖 2 所示的一樣清晰。例如，處理系統(tǒng)調(diào)用（從用戶空間切換到內(nèi)核空間）的機制可能在各個體系結構上都不相同。提供了對虛擬化指令支持的新型 x86 中央處理單元（CPU）在這方面要比使用傳統(tǒng) int 80h 方法的老式 x86 處理器更加高效。

最上面是用戶（或應用程序）空間。這是用戶應用程序執(zhí)行的地方。用戶空間之下是內(nèi)核空間，Linux 內(nèi)核正是位于這里。

GNU C Library （glibc）也在這里。它提供了連接內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用接口，還提供了在用戶空間應用程序和內(nèi)核之間進行轉換的機制。這點非常重要，因為內(nèi)核和用戶空間的應用程序使用的是不同的保護地址空間。每個用戶空間的進程都使用自己的虛擬地址空間，而內(nèi)核則占用單獨的地址空間。 更多信息，請參看 參考資料 一節(jié)中的鏈接。

Linux 內(nèi)核可以進一步劃分成 3 層。最上面是系統(tǒng)調(diào)用接口，它實現(xiàn)了一些基本的功能，例如 read 和write。系統(tǒng)調(diào)用接口之下是內(nèi)核代碼，可以更精確地定義為獨立于體系結構的內(nèi)核代碼。這些代碼是 Linux 所支持的所有處理器體系結構所通用的。在這些代碼之下是依賴于體系結構的代碼，構成了通常稱為 BSP（Board Support Package）的部分。這些代碼用作給定體系結構的處理器和特定于平臺的代碼。

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Linux 內(nèi)核的屬性

在討論大型而復雜的系統(tǒng)的體系結構時，可以從很多角度來審視系統(tǒng)。體系結構分析的一個目標是提供一種方法更好地理解源代碼，這正是本文的目的。

Linux 內(nèi)核實現(xiàn)了很多重要的體系結構屬性。在或高或低的層次上，內(nèi)核被劃分為多個子系統(tǒng)。Linux 也可以看作是一個整體，因為它會將所有這些基本服務都集成到內(nèi)核中。這與微內(nèi)核的體系結構不同，后者會提供一些基本的服務，例如通信、I/O、內(nèi)存和進程管理，更具體的服務都是插入到微內(nèi)核層中的。每種內(nèi)核都有自己的優(yōu)點，不過這里并不對此進行討論。

隨著時間的流逝，Linux 內(nèi)核在內(nèi)存和 CPU 使用方面具有較高的效率，并且非常穩(wěn)定。但是對于 Linux 來說，最為有趣的是在這種大小和復雜性的前提下，依然具有良好的可移植性。Linux 編譯后可在大量處理器和具有不同體系結構約束和需求的平臺上運行。一個例子是 Linux 可以在一個具有內(nèi)存管理單元（MMU）的處理器上運行，也可以在那些不提供 MMU 的處理器上運行。Linux 內(nèi)核的 uClinux 移植提供了對非 MMU 的支持。更詳細信息請參看 參考資料 一節(jié)的內(nèi)容。

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Linux 內(nèi)核的主要子系統(tǒng)

現(xiàn)在使用圖 3 中的分類說明 Linux 內(nèi)核的主要組件。

系統(tǒng)調(diào)用接口

SCI 層提供了某些機制執(zhí)行從用戶空間到內(nèi)核的函數(shù)調(diào)用。正如前面討論的一樣，這個接口依賴于體系結構，甚至在相同的處理器家族內(nèi)也是如此。SCI 實際上是一個非常有用的函數(shù)調(diào)用多路復用和多路分解服務。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實現(xiàn)，并在 ./linux/arch 中找到依賴于體系結構的部分。有關這個組件的更詳細信息可以在 參考資料 一節(jié)中找到。

進程管理

內(nèi)核是什么？ 如 圖 3 所示，內(nèi)核實際上僅僅是一個資源管理器。不管被管理的資源是進程、內(nèi)存還是硬件設備，內(nèi)核負責管理并裁定多個競爭用戶對資源的訪問（既包括內(nèi)核空間也包括用戶空間）。

進程管理的重點是進程的執(zhí)行。在內(nèi)核中，這些進程稱為線程，代表了單獨的處理器虛擬化（線程代碼、數(shù)據(jù)、堆棧和 CPU 寄存器）。在用戶空間，通常使用進程 這個術語，不過 Linux 實現(xiàn)并沒有區(qū)分這兩個概念（進程和線程）。內(nèi)核通過 SCI 提供了一個應用程序編程接口（API）來創(chuàng)建一個新進程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSIX] 函數(shù)），停止進程（kill、exit），并在它們之間進行通信和同步（signal 或者 POSIX 機制）。

進程管理還包括處理活動進程之間共享 CPU 的需求。內(nèi)核實現(xiàn)了一種新型的調(diào)度算法，不管有多少個線程在競爭 CPU，這種算法都可以在固定時間內(nèi)進行操作。這種算法就稱為 O(1) 調(diào)度程序，這個名字就表示它調(diào)度多個線程所使用的時間和調(diào)度一個線程所使用的時間是相同的。 O(1) 調(diào)度程序也可以支持多處理器（稱為對稱多處理器或 SMP）。您可以在 ./linux/kernel 中找到進程管理的源代碼，在 ./linux/arch 中可以找到依賴于體系結構的源代碼。在 參考資料 一節(jié)中可以了解有關這個算法的更多內(nèi)容。

內(nèi)存管理

內(nèi)核所管理的另外一個重要資源是內(nèi)存。為了提高效率，如果由硬件管理虛擬內(nèi)存，內(nèi)存是按照所謂的內(nèi)存頁方式進行管理的（對于大部分體系結構來說都是 4KB）。Linux 包括了管理可用內(nèi)存的方式，以及物理和虛擬映射所使用的硬件機制。

不過內(nèi)存管理要管理的可不止 4KB 緩沖區(qū)。Linux 提供了對 4KB 緩沖區(qū)的抽象，例如 slab 分配器。這種內(nèi)存管理模式使用 4KB 緩沖區(qū)為基數(shù)，然后從中分配結構，并跟蹤內(nèi)存頁使用情況，比如哪些內(nèi)存頁是滿的，哪些頁面沒有完全使用，哪些頁面為空。這樣就允許該模式根據(jù)系統(tǒng)需要來動態(tài)調(diào)整內(nèi)存使用。

為了支持多個用戶使用內(nèi)存，有時會出現(xiàn)可用內(nèi)存被消耗光的情況。由于這個原因，頁面可以移出內(nèi)存并放入磁盤中。這個過程稱為交換，因為頁面會被從內(nèi)存交換到硬盤上。內(nèi)存管理的源代碼可以在 ./linux/mm 中找到。

虛擬文件系統(tǒng)

虛擬文件系統(tǒng)（VFS）是 Linux 內(nèi)核中非常有用的一個方面，因為它為文件系統(tǒng)提供了一個通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和內(nèi)核所支持的文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層（請參看圖 4）。

在 VFS 上面，是對諸如 open、close、read 和 write 之類的函數(shù)的一個通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系統(tǒng)抽象，它定義了上層函數(shù)的實現(xiàn)方式。它們是給定文件系統(tǒng)（超過 50 個）的插件。文件系統(tǒng)的源代碼可以在 ./linux/fs 中找到。

文件系統(tǒng)層之下是緩沖區(qū)緩存，它為文件系統(tǒng)層提供了一個通用函數(shù)集（與具體文件系統(tǒng)無關）。這個緩存層通過將數(shù)據(jù)保留一段時間（或者隨即預先讀取數(shù)據(jù)以便在需要是就可用）優(yōu)化了對物理設備的訪問。緩沖區(qū)緩存之下是設備驅動程序，它實現(xiàn)了特定物理設備的接口。

網(wǎng)絡堆棧

網(wǎng)絡堆棧在設計上遵循模擬協(xié)議本身的分層體系結構。回想一下，Internet Protocol (IP) 是傳輸協(xié)議（通常稱為傳輸控制協(xié)議或 TCP）下面的核心網(wǎng)絡層協(xié)議。TCP 上面是 socket 層，它是通過 SCI 進行調(diào)用的。

socket 層是網(wǎng)絡子系統(tǒng)的標準 API，它為各種網(wǎng)絡協(xié)議提供了一個用戶接口。從原始幀訪問到 IP 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），再到 TCP 和 User Datagram Protocol (UDP)，socket 層提供了一種標準化的方法來管理連接，并在各個終點之間移動數(shù)據(jù)。內(nèi)核中網(wǎng)絡源代碼可以在 ./linux/net 中找到。

設備驅動程序

Linux 內(nèi)核中有大量代碼都在設備驅動程序中，它們能夠運轉特定的硬件設備。Linux 源碼樹提供了一個驅動程序子目錄，這個目錄又進一步劃分為各種支持設備，例如 Bluetooth、I2C、serial 等。設備驅動程序的代碼可以在 ./linux/drivers 中找到。

依賴體系結構的代碼

盡管 Linux 很大程度上獨立于所運行的體系結構，但是有些元素則必須考慮體系結構才能正常操作并實現(xiàn)更高效率。./linux/arch 子目錄定義了內(nèi)核源代碼中依賴于體系結構的部分，其中包含了各種特定于體系結構的子目錄（共同組成了 BSP）。對于一個典型的桌面系統(tǒng)來說，使用的是 i386 目錄。每個體系結構子目錄都包含了很多其他子目錄，每個子目錄都關注內(nèi)核中的一個特定方面，例如引導、內(nèi)核、內(nèi)存管理等。這些依賴體系結構的代碼可以在 ./linux/arch 中找到。

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Linux 內(nèi)核的一些有用特性

如果 Linux 內(nèi)核的可移植性和效率還不夠好，Linux 還提供了其他一些特性，它們無法劃分到上面的分類中。

作為一個生產(chǎn)操作系統(tǒng)和開源軟件，Linux 是測試新協(xié)議及其增強的良好平臺。Linux 支持大量網(wǎng)絡協(xié)議，包括典型的 TCP/IP，以及高速網(wǎng)絡的擴展（大于 1 Gigabit Ethernet [GbE] 和 10 GbE）。Linux 也可以支持諸如流控制傳輸協(xié)議（SCTP）之類的協(xié)議，它提供了很多比 TCP 更高級的特性（是傳輸層協(xié)議的接替者）。

Linux 還是一個動態(tài)內(nèi)核，支持動態(tài)添加或刪除軟件組件。被稱為動態(tài)可加載內(nèi)核模塊，它們可以在引導時根據(jù)需要（當前特定設備需要這個模塊）或在任何時候由用戶插入。

Linux 最新的一個增強是可以用作其他操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng)（稱為系統(tǒng)管理程序）。最近，對內(nèi)核進行了修改，稱為基于內(nèi)核的虛擬機（KVM）。這個修改為用戶空間啟用了一個新的接口，它可以允許其他操作系統(tǒng)在啟用了 KVM 的內(nèi)核之上運行。除了運行 Linux 的其他實例之外， Microsoft® Windows® 也可以進行虛擬化。惟一的限制是底層處理器必須支持新的虛擬化指令。更多信息請參看 參考資料 一節(jié)的內(nèi)容。

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結束語

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本文對 Linux 內(nèi)核體系結構及其特性和功能進行了簡要介紹。有關內(nèi)核的詳細內(nèi)容，可以參考每個 Linux 發(fā)行版中附帶的 Documentation 目錄。請一定查看本文末尾的 參考資料 一節(jié)，了解有關本文中所討論主題的更詳細信息。

參考資料

• 您可以參閱本文在 developerWorks 全球站點上的 英文原文 。
  
  
• GNU 站點 介紹了 GNU GPL，它涵蓋了 Linux 內(nèi)核及其附帶的大量有用的應用程序。另外還介紹了一個比 GPL 限制更少的許可 Lesser GPL （LGPL）。
  
  
• UNIX、 MINIX 和 Linux 在 Wikipedia 上都有介紹，另外還詳細介紹了操作系統(tǒng)系列。
  
  
• GNU C Library，即 glibc，是標準 C 庫的實現(xiàn)。它用于 GNU/Linux 操作系統(tǒng)，也可用于 GNU/Hurd 微內(nèi)核操作系統(tǒng)。 
  
  
• uClinux 是 Linux 內(nèi)核的一個移植，它可以在一些缺少 MMU 的系統(tǒng)上執(zhí)行。這允許 Linux 內(nèi)核在很小的嵌入式平臺上運行，例如 PalmPilot PalmPilot Personal Digital Assistants (PDAs) 上使用的 Motorola DragonBall 處理器。 
  
  
• “使用 Linux 系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)核命令”（developerWorks，2007 年 3 月）對 SCI 進行了介紹，這是 Linux 內(nèi)核中非常重要的一層，具有 glibc 的用戶空間支持，可以在用戶空間和內(nèi)核之間啟用函數(shù)調(diào)用。 
  
  
• “Linux 調(diào)度器內(nèi)幕”（developerWorks，2006 年 6 月）介紹了 Linux 2.6 中引入的新 O(1) 調(diào)度程序，這是一個非常高效的算法，可以擴展到很大數(shù)量的進程（線程），并且可以利用 SMP 系統(tǒng)。 
  
  
• “使用 /proc 文件系統(tǒng)來訪問 Linux 內(nèi)核的內(nèi)容”（developerWorks，2006 年 3 月）介紹了 /proc 文件系統(tǒng)，這是一個虛擬文件系統(tǒng)，為用戶空間的應用程序提供了一種全新的方法與內(nèi)核進行通信。這篇文章展示了 /proc 以及可加載內(nèi)核模塊。
  
  
• “服務器診所: 使虛擬文件系統(tǒng)工作”（developerWorks，2003 年 4 月）深入介紹了 VFS 層，它允許 Linux 通過一個通用接口支持各種不同的文件系統(tǒng)。這個相同的接口也可以用于其他類型的設備，例如 socket。
  
  
• “Linux 引導過程內(nèi)幕”（developerWorks，2006 年 5 月）介紹了 Linux 的引導過程，該過程將啟動一個 Linux 系統(tǒng)，并且不管是從硬盤、軟盤、USB 內(nèi)存條還是通過網(wǎng)絡引導系統(tǒng)，該過程是相同的。
  
  
• “Linux 初始 RAM 磁盤（initrd）概述”（developerWorks，2006 年 7 月）介紹了初始 RAM 磁盤，它將引導過程與所引導的物理介質(zhì)隔離開來。
  
  
• “使用 SCTP 優(yōu)化網(wǎng)絡”（developerWorks，2006 年 2 月）介紹了一種非常有用的網(wǎng)絡協(xié)議：流控制傳輸協(xié)議，它的操作與 TCP 類似，但是增加了很多有用的特性，例如消息傳遞、 多宿主和多流。如果您對網(wǎng)絡協(xié)議感興趣，那么 Linux 與 BSD 一樣，都是一種非常好的操作系統(tǒng)。
  
  
• “Linux slab 分配器詳解” （developerWorks，2007 年 5 月）介紹了 Linux 內(nèi)存管理中最有用的一個工具：slab 分配器。這種機制源自于 SunOS，不過它在 Linux 內(nèi)核中找到了合適的位置。
  
  
• “虛擬 Linux”（developerWorks，2006 年 12 月）介紹了 Linux 是如何充分利用具有虛擬化能力的處理器。
  
  
• “Linux 和對稱多處理”（developerWorks，2007 年 3 月）討論了 Linux 怎樣利用提供芯片級多處理能力的芯片。
  
  
• “探索 Linux 內(nèi)核虛擬機”（developerWorks，2007 年 4 月）介紹了最近引入內(nèi)核的虛擬化技術，它可以將 Linux 內(nèi)核轉換成其他虛擬化的操作系統(tǒng)的系統(tǒng)管理程序。
  
  
• 有關在用戶空間對 Linux 進行編程的更多信息，請參考 Tim 撰寫的 GNU/Linux Application Programming 一書。
  
  
• 在 developerWorks Linux 專區(qū) 中可找到適合 Linux 開發(fā)人員的更多資源，包括 Linux 教程 以及上月 讀者最喜歡的 Linux 文章和教程。 
  
  
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關于作者

		M. Tim Jones 是一名嵌入式軟件工程師，他是 GNU/Linux Application Programming、AI Application Programming 以及 BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective等書的作者。他的工程背景非常廣泛，從同步宇宙飛船的內(nèi)核開發(fā)到嵌入式架構設計，再到網(wǎng)絡協(xié)議的開發(fā)。Tim 是位于科羅拉多州 Longmont 的 Emulex Corp. 的一名顧問工程師。