Linux內核定義

Linux內核是Linux操作系統的核心部分，它是一個類Unix的操作系統內核，提供了必要的服務並管理系統資源。內核充當硬體和軟體層之間的介面，使操作系統能夠與底層硬體 組件進行通信和控制。以下是Linux內核的一些重要功能：

• 進程管理：內核管理進程的執行，分配CPU時間、記憶體和輸入/輸出（I/O）設備等系統資源。它調度進程、在它們之間切換，並確保公平和高效的資源利用。
• 記憶體管理：內核處理記憶體管理，包括為進程分配和釋放記憶體以及管理虛擬記憶體系統。它提供記憶體保護、虛擬記憶體映射和在物理記憶體和磁碟存儲之間交換數據的機制。
• 設備驅動程式：內核包括設備驅動程式，使操作系統能夠與硬體設備（如磁碟驅動器、網路介面、圖形卡和輸入設備）進行通信。這些驅動程式促進數據傳輸、設備控制和與硬體的交互。
• 文件系統管理：內核管理文件系統，提供創建、讀取、寫入和刪除文件所需的介面和操作。它處理文件訪問許可權、文件元數據和目錄結構。
• 網路：內核實現網路協議，允許在區域網（LAN）和互聯網上進行通信。它管理網路介面、路由表、網路協議（如TCP/IP）和套接字通信。
• 安全性：內核包括安全機制，用於保護系統和用戶數據。它執行訪問控制策略、處理用戶身份驗證、管理許可權，併在進程之間提供隔離。
• 進程間通信：內核通過管道、套接字、共用記憶體和信號等機制促進進程之間的通信和數據交換。

Linux內核組成

Linux 內核主要由 5 部分組成，分別為：進程管理子系統，記憶體管理子系統，文件子系統，網路子系統，設備子系統。由系統調用層（系統調用子系統）進行統一管理，應用層通過系統調用層的函數介面與內核進行交互，用戶應用程式執行的地方是用戶空間，用戶空間之下則是內核空間，Linux 內核正是位於內核空間中。

Linux內核組成-進程管理子系統

Linux內核的進程管理子系統由多個組件組成，包括調度程式、進程式控制制塊、進程調度、進程同步和進程通信等。這些組件共同協作，負責管理和控制系統中的進程。以下是Linux內核進程管理子系統的一些關鍵組成部分：

• 調度程式（Scheduler）：負責決定在多個就緒態進程中選擇哪一個進程運行。Linux內核使用多種調度演算法，如CFS（Completely Fair Scheduler），該演算法會按所需分配的計算能力，向系統中每個進程提供最大的公正性，它負責將 CPU 資源，分配給正在執行的進程，目標在於最大化程式互動效能，最小化整體 CPU 的運用，這個演算法使用紅黑樹來實現，演算法效率為 O(log(n))
• 進程式控制制塊（Process Control Block，PCB）：每個進程都有一個PCB，用於存儲進程的狀態信息、標識符、優先順序、調度信息等。PCB是內核用來管理進程的重要數據結構。
• 進程調度（Process Scheduling）：Linux內核使用時間片輪轉和優先順序調度等技術來決定進程的運行順序和時間分配。進程調度是進程管理子系統中最重要的一個功能，是一個管理進程之間使用 CPU 資源的管理程式。
• 進程同步（Process Synchronization）：Linux提供了多種機制來實現進程間的同步，如信號量、互斥鎖、條件變數等，以確保多個進程之間的協調和同步。
• 進程通信（Inter-Process Communication，IPC）：Linux內核提供了多種IPC機制，如管道、消息隊列、共用記憶體和信號等，用於實現進程之間的通信和數據交換。

Linux內核組成-記憶體管理子系統

• 記憶體管理單元（Memory Management Unit，MMU）負責管理每個進程完成從虛擬記憶體到物理記憶體的轉換，以及系統可用記憶體空間。
• 分頁管理記憶體，分頁就是把系統的物理記憶體按照相同大小等分，每個記憶體分片稱作記憶體頁，通常記憶體頁大小是 4KB。記憶體管理子系統要管理的不僅是 4KB 緩衝區，它提供了對 4KB 緩衝區的抽象，例如 slab 分配器。這種記憶體管理模式使用 4KB 緩衝區為基數，然後從中分配管理結構，並跟蹤記憶體頁使用情況。系統就支持動態調整記憶體使用情況。
• 記憶體交換，因為 Linux 中使用的是虛擬記憶體，當物理記憶體不足時，記憶體管理子系統會將記憶體暫時移到磁碟中，在物理記憶體充裕時又將記憶體頁從磁碟移到物理記憶體中。

Linux內核組成-文件管理子系統

• 在 Linux 系統中一切皆文件，它把一切資源都看作是文件，包括硬體設備，通常稱為設備文件。
• Linux 的文件管理子系統主要實現了虛擬文件系統（Virtual File System，VFS），虛擬文件系統屏蔽了各種硬體上的差異以及具體實現的細節，為所有的硬體設備提供統一的介面，即實現了設備無關性，同時文件管理系統還為應用層提供統一的 API 介面。
• Linux 的文件系統體繫結構是對一個對複雜系統進行了抽象化，通過使用一組通用的 API 函數，Linux 可以在許多種存儲設備上支持多種文件系統，如 NTFS、EXT2、EXT3、EXT4 、FAT 等等；而用戶空間包含一些應用程式和 GNU C 庫（glibc），它們使用的 API 介面是由系統調用層提供（如打開、讀、寫和關閉等）
  

Linux內核組成-網路子系統

 在 Linux 內核中，與網路相關的代碼被 Linux 獨立開，形成一個相對獨立的子系統，稱為網路子系統，網路子系統是一個層次化的結構，可分為以下幾個層次：

• Socket 層（也可以稱之為協議無關層）：Linux 在發展過程中，採用 BSD Socket API 作為自己的網路相關的 API 介面。同時，Linux 的目標又要能支持各種不同的協議族，而且這些協議族都可以使用 BSD Socket API 作為應用層的編程介面，這樣一來將 Socket 層抽象出來就能屏蔽不同協議族之間的差異，不會對應用層的使用產生影響。
• 協議層：Linux 網路子系統功能上相當完備，它不僅支持 INET 協議族（也就是通常所說的 TCP/IP 協議族），而且還支持其它很多種協議族，如 INET6、DECnet，ROSE，NETBEUI 等，對於 INET 、INET6 協議族來說，又會進一步將協議族劃分為傳輸層和網路層以及鏈路層等。
• 網路設備層：網路設備其實是設備驅動層的內容了，它抽象了網卡數據結構，在一個系統中可能存在多種網卡，屏蔽了不同硬體上的差異，這一層提供了一組通用函數供底層網路設備驅動程式使用。
  

Linux內核組成-設備子系統

 設備子系統又被稱之為設備驅動，如 LCD、攝像頭、USB、音頻等都是屬於設備，且設備的廠商不同其驅動程式也是不同的，但是對於 Linux 來說，不可能去將每個設備都包含到內核，它只能抽象去描述某種設備。
 系統調用層是 Linux 內核與應用程式之間的介面，而設備驅動則是 Linux 內核與硬體之間的介面，設備驅動程式為應用程式屏蔽了硬體的細節，在應用程式看來，硬體設備只是一個設備文件，應用程式可以象操作普通文件一樣對硬體設備進行操作（打開、讀、寫和關閉）。
設備驅動程式是內核的一部分，主要功能：

* 對設備初始化和釋放
* 把數據從內核傳送到硬體和從硬體讀取數據
* 讀取應用程式傳送給設備文件的數據和回送應用程式請求的數據
* 檢測和處理設備出現的錯誤 

根據設備的共性將設備分類：

* 字元設備，是以位元組為單位傳輸的 IO 設備，可以提供連續的數據流，應用程式可以順序讀取，通常不支持隨機存取。這種字元傳輸的效率通常是比較低的，如滑鼠、鍵盤、串口等都是字元設備。
* 塊設備，是以塊為單位進行傳輸的設備，應用程式可以隨機訪問塊設備中的數據，程式可以指定讀取數據的位置。磁碟就是一種常見的塊設備，應用程式可以定址磁碟上的任何位置，併在這個位置讀取數據。塊設備讀取的數據只能以塊為單位的倍數進行（通常是 512Byte 的整數倍），而不能與字元設備一樣以位元組為單位讀取。塊設備的傳輸速度是比較高的。
* 網路設備，其實就是網路子系統中描述的網路設備層，統一描述了不同的網卡設備，如 WIFI、乙太網等。因為網路設備存在協議棧（協議族），它涉及了網路層協議，所以 Linux 將網路設備單獨分層一類設備。傳輸速率通常很高。

文章參照：
https://blog.csdn.net/p1279030826/article/details/105998601
https://tutorial.linux.doc.embedfire.com/zh_CN/latest/