Linux 内核系统结构

内核系统结构图

操作系统内核是一个庞大的系统工程，越大越复杂的系统就越需要架构设计，将复杂的大系统进行模块化分解，从而将大的复杂问题，变成若干相对小的简单问题。以子系统维度看，它的系统结构图，如下所示：





内核作用

内核把计算机资源管理起来，保护起来，然后通过系统调用这个服务窗口将这些资源分配给用户程序使用，对底层硬件和用户程序起到隔离和协调的作用，提升资源使用效率和程序开发者的开发效率。



系统调用

如上所述，要使用计算机资源，就必须知道怎么使用系统调用服务。下面是一些常见的系统调用。



进程管理

fork

创建进程使用fork。当父进程调用 fork 创建进程的时候，子进程将各个子系统为父进程创建的数据结构也全部拷贝了一份，甚至连程序代码也是拷贝过来的。

对于 fork 系统调用的返回值，如果当前进程是子进程，就返回 0；如果当前进程是父进程，就返回子进程的进程号。这样首先在返回值这里就有了一个区分，然后通过 if-else 语句判断，如果是父进程，还接着做原来应该做的事情；如果是子进程，需要请求另一个系统调用execve来执行另一个程序，这个时候，子进程和父进程就彻底分道扬镳了，也就产生了一个分支（fork）了。

execve

运行一个程序用execve。

waitpid

父进程可以调用它，将子进程的进程号作为参数传给它，这样父进程就知道子进程运行完了没有，成功与否。

内存管理

每个进程都有自己独立的内存空间，比如：代码段、数据段、堆、栈等。

brk/mmap

这里介绍两个在堆里面分配内存的系统调用，brk和mmap。当分配的内存数量比较小的时候。当分配的内存数量比较大的时候，使用mmap，会重新划分一块区域。



文件管理

Linux 里有一个特点，那就是一切皆文件，包括二进制文件、文本文件、标准输入输出文件、管道、socket、设备、文件夹等都是文件。每个文件，Linux 都会分配一个文件描述符（File Descriptor），这是一个整数。有了文件描述符，我们就可以使用系统调用，查看或者干预进程运行的方方面面。“一切皆文件”的优势：统一了操作的入口，提供了极大的便利。



对于文件的操作，下面这六个系统调用是最重要的：

open

打开文件

close

关闭文件

creat

创建文件

lseek

打开文件以后，可以使用lseek跳到文件的某个位置

read/write

文件读写

信号处理

kill/SIGKILL/SIGSTOP

发送信号，终止进程

sigaction

注册一个信号处理函数

sem_wait/sem_post

抢占/释放信号量



进程间通信

msgget/msgsnd/msgrcv

通过msgget创建一个新的消息队列（在系统内核中），msgsnd将消息发送到消息队列，而消息接收方可以使用msgrcv从队列中取消息。

shmget/shmat

通过shmget创建一个共享内存块，通过shmat将共享内存映射到自己的内存空间，然后就可以读写了。共享内存存在“竞争”问题，通过信号量的机制 Semaphore解决。



网络通信

socket/bind/connect/accept/listen

我们可以通过 Socket 系统调用建立一个 Socket。Socket 也是一个文件，也有一个文件描述符，也可以通过读写函数进行通信。



Glibc

Glibc 为程序员提供丰富的 API，除了例如字符串处理、数学运算等用户态服务之外，最重要的是封装了操作系统提供的系统服务，即系统调用的封装。



每个特定的系统调用对应了至少一个 Glibc 封装的库函数，比如说，系统提供的打开文件系统调用 sys_open 对应的是 Glibc 中的 open 函数。



有时候，Glibc 一个单独的 API 可能调用多个系统调用，比如说，Glibc 提供的 printf 函数就会调用如 sys_open、sys_mmap、sys_write、sys_close 等等系统调用。

也有时候，多个 API 也可能只对应同一个系统调用，如 Glibc 下实现的 malloc、calloc、free 等函数用来分配和释放内存，都利用了内核的 sys_brk 的系统调用。



内核源码：https://www.kernel.org