3.3.2　Linux内核的组成部分

如图3.3所示，Linux内核主要由进程调度（SCHED）、内存管理（MM）、虚拟文件系统（VFS）、网络接口（NET）和进程间通信（IPC）5个子系统组成。

1.进程调度

进程调度控制系统中的多个进程对CPU的访问，使得多个进程能在CPU中“微观串行，宏观并行”地执行。进程调度处于系统的中心位置，内核中其他的子系统都依赖它，因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。

如图3.4所示，Linux的进程在几个状态间进行切换。在设备驱动编程中，当请求的资源不能得到满足时，驱动一般会调度其他进程执行，并使本进程进入睡眠状态，直到它请求的资源被释放，才会被唤醒而进入就绪状态。睡眠分成可中断的睡眠和不可中断的睡眠，两者的区别在于可中断的睡眠在收到信号的时候会醒。

完全处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程甚至都无法被“杀死”，所以Linux 2.6.26之后的内核也存在一种TASK_KILLABLE的状态，它等于“TASK_WAKEKILL|TASK_UNINTERRUPTIBLE”，可以响应致命信号。

在Linux内核中，使用task_struct结构体来描述进程，该结构体中包含描述该进程内存资源、文件系统资源、文件资源、tty资源、信号处理等的指针。Linux的线程采用轻量级进程模型来实现，在用户空间通过pthread_create（）API创建线程的时候，本质上内核只是创建了一个新的task_struct，并将新task_struct的所有资源指针都指向创建它的那个task_struct的资源指针。

绝大多数进程（以及进程中的多个线程）是由用户空间的应用创建的，当它们存在底层资源和硬件访问的需求时，会通过系统调用进入内核空间。有时候，在内核编程中，如果需要几个并发执行的任务，可以启动内核线程，这些线程没有用户空间。启动内核线程的函数为：

pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags);

2.内存管理

内存管理的主要作用是控制多个进程安全地共享主内存区域。当CPU提供内存管理单元（MMU）时，Linux内存管理对于每个进程完成从虚拟内存到物理内存的转换。Linux 2.6引入了对无MMU CPU的支持。

如图3.5所示，一般而言，32位处理器的Linux的每个进程享有4GB的内存空间，0~3GB属于用户空间，3~4GB属于内核空间，内核空间对常规内存、I/O设备内存以及高端内存有不同的处理方式。当然，内核空间和用户空间的具体界限是可以调整的，在内核配置选项Kernel Features→Memory split下，可以设置界限为2GB或者3GB。

如图3.6所示，Linux内核的内存管理总体比较庞大，包含底层的Buddy算法，它用于管理每个页的占用情况，内核空间的slab以及用户空间的C库的二次管理。另外，内核也提供了页缓存的支持，用内存来缓存磁盘，per-BDI flusher线程用于刷回脏的页缓存到磁盘。Kswapd（交换进程）则是Linux中用于页面回收（包括file-backed的页和匿名页）的内核线程，它采用最近最少使用（LRU）算法进行内存回收。

3.虚拟文件系统

如图3.7所示，Linux虚拟文件系统隐藏了各种硬件的具体细节，为所有设备提供了统一的接口。而且，它独立于各个具体的文件系统，是对各种文件系统的一个抽象。它为上层的应用程序提供了统一的vfs_read（）、vfs_write（）等接口，并调用具体底层文件系统或者设备驱动中实现的file_operations结构体的成员函数。

4.网络接口

网络接口提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。如图3.8所示，在Linux中网络接口可分为网络协议和网络驱动程序，网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议，网络设备驱动程序负责与硬件设备通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。

Linux内核支持的协议栈种类较多，如Internet、UNIX、CAN、NFC、Bluetooth、WiMAX、IrDA等，上层的应用程序统一使用套接字接口。

5.进程间通信

进程间通信支持进程之间的通信，Linux支持进程间的多种通信机制，包含信号量、共享内存、消息队列、管道、UNIX域套接字等，这些机制可协助多个进程、多资源的互斥访问、进程间的同步和消息传递。在实际的Linux应用中，人们更多地趋向于使用UNIX域套接字，而不是System V IPC中的消息队列等机制。Android内核则新增了Binder进程间通信方式。

Linux内核5个组成部分之间的依赖关系如下。

·进程调度与内存管理之间的关系：这两个子系统互相依赖。在多程序环境下，程序要运行，则必须为之创建进程，而创建进程的第一件事情，就是将程序和数据装入内存。

·进程间通信与内存管理的关系：进程间通信子系统要依赖内存管理支持共享内存通信机制，这种机制允许两个进程除了拥有自己的私有空间之外，还可以存取共同的内存区域。

·虚拟文件系统与网络接口之间的关系：虚拟文件系统利用网络接口支持网络文件系统（NFS），也利用内存管理支持RAMDISK设备。

·内存管理与虚拟文件系统之间的关系：内存管理利用虚拟文件系统支持交换，交换进程定期由调度程序调度，这也是内存管理依赖于进程调度的原因。当一个进程存取的内存映射被换出时，内存管理向虚拟文件系统发出请求，同时，挂起当前正在运行的进程。

除了这些依赖关系外，内核中的所有子系统还要依赖于一些共同的资源。这些资源包括所有子系统都用到的API，如分配和释放内存空间的函数、输出警告或错误消息的函数及系统提供的调试接口等。