Linux 内核结构是怎么样的？

此篇文章主要会带你介绍 Linux 操作系统，包括 Linux 本身、Linux 如何使用、以及系统调用和 Linux 是如何工作的。

Linux 简介

UNIX 是一个交互式系统，用于同时处理多进程和多用户同时在线。为什么要说 UNIX，那是因为 Linux 是由 UNIX 发展而来的，UNIX 是由程序员设计，它的主要服务对象也是程序员。Linux 继承了 UNIX 的设计目标。从智能手机到汽车，超级计算机和家用电器，从家用台式机到企业服务器，Linux 操作系统无处不在。

大多数程序员都喜欢让系统尽量简单，优雅并具有一致性。举个例子，从最底层的角度来讲，一个文件应该只是一个字节集合。为了实现顺序存取、随机存取、按键存取、远程存取只能是妨碍你的工作。相同的，如果命令

ls A*

意味着只列出以 A 为开头的所有文件，那么命令

rm A*

应该会移除所有以 A 为开头的文件而不是只删除文件名是 A* 的文件。这个特性也是最小吃惊原则(principle of least surprise)

最小吃惊原则一半常用于用户界面和软件设计。它的原型是：该功能或者特征应该符合用户的预期，不应该使用户感到惊讶和震惊。

一些有经验的程序员通常希望系统具有较强的功能性和灵活性。设计 Linux 的一个基本目标是每个应用程序只做一件事情并把他做好。所以编译器只负责编译的工作，编译器不会产生列表，因为有其他应用比编译器做的更好。

很多人都不喜欢冗余，为什么在 cp 就能描述清楚你想干什么时候还使用 copy？这完全是在浪费宝贵的 hacking time。为了从文件中提取所有包含字符串 ard 的行，Linux 程序员应该输入

grep ard f

Linux 接口

Linux 系统是一种金字塔模型的系统，如下所示

应用程序发起系统调用把参数放在寄存器中(有时候放在栈中)，并发出 trap 系统陷入指令切换用户态至内核态。因为不能直接在 C 中编写 trap 指令，因此 C 提供了一个库，库中的函数对应着系统调用。有些函数是使用汇编编写的，但是能够从 C 中调用。每个函数首先把参数放在合适的位置然后执行系统调用指令。因此如果你想要执行 read 系统调用的话，C 程序会调用 read 函数库来执行。这里顺便提一下，是由 POSIX 指定的库接口而不是系统调用接口。也就是说，POSIX 会告诉一个标准系统应该提供哪些库过程，它们的参数是什么，它们必须做什么以及它们必须返回什么结果。

除了操作系统和系统调用库外，Linux 操作系统还要提供一些标准程序，比如文本编辑器、编译器、文件操作工具等。直接和用户打交道的是上面这些应用程序。因此我们可以说 Linux 具有三种不同的接口：系统调用接口、库函数接口和应用程序接口

Linux 中的 GUI(Graphical User Interface) 和 UNIX 中的非常相似，这种 GUI 创建一个桌面环境，包括窗口、目标和文件夹、工具栏和文件拖拽功能。一个完整的 GUI 还包括窗口管理器以及各种应用程序。

Linux 上的 GUI 由 X 窗口支持，主要组成部分是 X 服务器、控制键盘、鼠标、显示器等。当在 Linux 上使用图形界面时，用户可以通过鼠标点击运行程序或者打开文件，通过拖拽将文件进行复制等。

Linux 组成部分

事实上，Linux 操作系统可以由下面这几部分构成

• 引导程序(Bootloader)：引导程序是管理计算机启动过程的软件，对于大多数用户而言，只是弹出一个屏幕，但其实内部操作系统做了很多事情
• 内核(Kernel)：内核是操作系统的核心，负责管理 CPU、内存和外围设备等。
• 初始化系统(Init System)：这是一个引导用户空间并负责控制守护程序的子系统。一旦从引导加载程序移交了初始引导，它就是用于管理引导过程的初始化系统。
• 后台进程(Daemon)：后台进程顾名思义就是在后台运行的程序，比如打印、声音、调度等，它们可以在引导过程中启动，也可以在登录桌面后启动
• 图形服务器(Graphical server)：这是在监视器上显示图形的子系统。通常将其称为 X 服务器或 X。
• 桌面环境(Desktop environment)：这是用户与之实际交互的部分，有很多桌面环境可供选择，每个桌面环境都包含内置应用程序，比如文件管理器、Web 浏览器、游戏等
• 应用程序(Applications)：桌面环境不提供完整的应用程序，就像 Windows 和 macOS 一样，Linux 提供了成千上万个可以轻松找到并安装的高质量软件。

Shell

尽管 Linux 应用程序提供了 GUI ，但是大部分程序员仍偏好于使用命令行(command-line interface)，称为shell。用户通常在 GUI 中启动一个 shell 窗口然后就在 shell 窗口下进行工作。

shell 命令行使用速度快、功能更强大、而且易于扩展、并且不会带来肢体重复性劳损(RSI)。

下面会介绍一些最简单的 bash shell。当 shell 启动时，它首先进行初始化，在屏幕上输出一个 提示符(prompt)，通常是一个百分号或者美元符号，等待用户输入

等用户输入一个命令后，shell 提取其中的第一个词，这里的词指的是被空格或制表符分隔开的一连串字符。假定这个词是将要运行程序的程序名，那么就会搜索这个程序，如果找到了这个程序就会运行它。然后 shell 会将自己挂起直到程序运行完毕，之后再尝试读入下一条指令。shell 也是一个普通的用户程序。它的主要功能就是读取用户的输入和显示计算的输出。shell 命令中可以包含参数，它们作为字符串传递给所调用的程序。比如

cp src dest

会调用 cp 应用程序并包含两个参数 src 和 dest。这个程序会解释第一个参数是一个已经存在的文件名，然后创建一个该文件的副本，名称为 dest。

并不是所有的参数都是文件名，比如下面

head -20 file

第一个参数 -20，会告诉 head 应用程序打印文件的前 20 行，而不是默认的 10 行。控制命令操作或者指定可选值的参数称为标志(flag)，按照惯例标志应该使用 - 来表示。这个符号是必要的，比如

head 20 file

是一个完全合法的命令，它会告诉 head 程序输出文件名为 20 的文件的前 10 行，然后输出文件名为 file 文件的前 10 行。Linux 操作系统可以接受一个或多个参数。

为了更容易的指定多个文件名，shell 支持 魔法字符(magic character)，也被称为通配符(wild cards)。比如，* 可以匹配一个或者多个可能的字符串

ls *.c

告诉 ls 列举出所有文件名以 .c 结束的文件。如果同时存在多个文件，则会在后面进行并列。

另一个通配符是问号，负责匹配任意一个字符。一组在中括号中的字符可以表示其中任意一个，因此

ls [abc]*

会列举出所有以 a、b 或者 c 开头的文件。

shell 应用程序不一定通过终端进行输入和输出。shell 启动时，就会获取 标准输入、标准输出、标准错误文件进行访问的能力。

标准输出是从键盘输入的，标准输出或者标准错误是输出到显示器的。许多 Linux 程序默认是从标准输入进行输入并从标准输出进行输出。比如

sort 

会调用 sort 程序，会从终端读取数据(直到用户输入 ctrl-d 结束)，根据字母顺序进行排序，然后将结果输出到屏幕上。

通常还可以重定向标准输入和标准输出，重定向标准输入使用 < 后面跟文件名。标准输出可以通过一个大于号 > 进行重定向。允许一个命令中重定向标准输入和输出。例如命令

sort out

会使 sort 从文件 in 中得到输入，并把结果输出到 out 文件中。由于标准错误没有重定向，所以错误信息会直接打印到屏幕上。从标准输入读入，对其进行处理并将其写入到标准输出的程序称为 过滤器。

考虑下面由三个分开的命令组成的指令

sort temp;head -30 

首先会调用 sort 应用程序，从标准输入 in 中进行读取，并通过标准输出到 temp。当程序运行完毕后，shell 会运行 head ，告诉它打印前 30 行，并在标准输出(默认为终端)上打印。最后，temp 临时文件被删除。轻轻的，你走了，你挥一挥衣袖，不带走一片云彩。

命令行中的第一个程序通常会产生输出，在上面的例子中，产生的输出都不 temp 文件接收。然而，Linux 还提供了一个简单的命令来做这件事，例如下面

sort 

上面 | 称为竖线符号，它的意思是从 sort 应用程序产生的排序输出会直接作为输入显示，无需创建、使用和移除临时文件。由管道符号连接的命令集合称为管道(pipeline)。例如如下

grep cxuan *.c | sort | head -30 | tail -5 >f00

对任意以 .t 结尾的文件中包含 cxuan 的行被写到标准输出中，然后进行排序。这些内容中的前 30 行被 head 出来并传给 tail ，它又将最后 5 行传递给 foo。这个例子提供了一个管道将多个命令连接起来。

可以把一系列 shell 命令放在一个文件中，然后将此文件作为输入来运行。shell 会按照顺序对他们进行处理，就像在键盘上键入命令一样。包含 shell 命令的文件被称为 shell 脚本(shell scripts)。

推荐一个 shell 命令的学习网站：https://www.shellscript.sh/

shell 脚本其实也是一段程序，shell 脚本中可以对变量进行赋值，也包含循环控制语句比如 if、for、while 等，shell 的设计目标是让其看起来和 C 相似(There is no doubt that C is father)。由于 shell 也是一个用户程序，所以用户可以选择不同的 shell。

Linux 应用程序

Linux 的命令行也就是 shell，它由大量标准应用程序组成。这些应用程序主要有下面六种

• 文件和目录操作命令
• 过滤器
• 文本程序
• 系统管理
• 程序开发工具，例如编辑器和编译器
• 其他

除了这些标准应用程序外，还有其他应用程序比如 Web 浏览器、多媒体播放器、图片浏览器、办公软件和游戏程序等。

我们在上面的例子中已经见过了几个 Linux 的应用程序，比如 sort、cp、ls、head，下面我们再来认识一下其他 Linux 的应用程序。

我们先从几个例子开始讲起，比如

cp a b

是将 a 复制一个副本为 b ，而

mv a b

是将 a 移动到 b ，但是删除原文件。

上面这两个命令有一些区别，cp 是将文件进行复制，复制完成后会有两个文件 a 和 b；而 mv 相当于是文件的移动，移动完成后就不再有 a 文件。cat 命令可以把多个文件内容进行连接。使用 rm 可以删除文件；使用 chmod 可以允许所有者改变访问权限；文件目录的的创建和删除可以使用 mkdir 和 rmdir 命令；使用 ls 可以查看目录文件，ls 可以显示很多属性，比如大小、用户、创建日期等；sort 决定文件的显示顺序

Linux 应用程序还包括过滤器 grep，grep 从标准输入或者一个或多个输入文件中提取特定模式的行；sort 将输入进行排序并输出到标准输出；head 提取输入的前几行；tail 提取输入的后面几行；除此之外的过滤器还有 cut 和 paste，允许对文本行的剪切和复制；od 将输入转换为 ASCII ；tr 实现字符大小写转换；pr 为格式化打印输出等。

程序编译工具使用 gcc；

make 命令用于自动编译，这是一个很强大的命令，它用于维护一个大的程序，往往这类程序的源码由许多文件构成。典型的，有一些是 header files 头文件，源文件通常使用 include 指令包含这些文件，make 的作用就是跟踪哪些文件属于头文件，然后安排自动编译的过程。

下面列出了 POSIX 的标准应用程序

Linux 内核结构

在上面我们看到了 Linux 的整体结构，下面我们从整体的角度来看一下 Linux 的内核结构

内核直接坐落在硬件上，内核的主要作用就是 I/O 交互、内存管理和控制 CPU 访问。上图中还包括了 中断 和 调度器，中断是与设备交互的主要方式。中断出现时调度器就会发挥作用。这里的低级代码停止正在运行的进程，将其状态保存在内核进程结构中，并启动驱动程序。进程调度也会发生在内核完成一些操作并且启动用户进程的时候。图中的调度器是 dispatcher。

注意这里的调度器是 dispatcher 而不是 scheduler，这两者是有区别的

scheduler 和 dispatcher 都是和进程调度相关的概念，不同的是 scheduler 会从几个进程中随意选取一个进程；而 dispatcher 会给 scheduler 选择的进程分配 CPU。

然后，我们把内核系统分为三部分。

• I/O 部分负责与设备进行交互以及执行网络和存储 I/O 操作的所有内核部分。

从图中可以看出 I/O 层次的关系，最高层是一个虚拟文件系统，也就是说不管文件是来自内存还是磁盘中，都是经过虚拟文件系统中的。从底层看，所有的驱动都是字符驱动或者块设备驱动。二者的主要区别就是是否允许随机访问。网络驱动设备并不是一种独立的驱动设备，它实际上是一种字符设备，不过网络设备的处理方式和字符设备不同。

上面的设备驱动程序中，每个设备类型的内核代码都不同。字符设备有两种使用方式，有一键式的比如 vi 或者 emacs ，需要每一个键盘输入。其他的比如 shell ，是需要输入一行按回车键将字符串发送给程序进行编辑。

网络软件通常是模块化的，由不同的设备和协议来支持。大多数 Linux 系统在内核中包含一个完整的硬件路由器的功能，但是这个不能和外部路由器相比，路由器上面是协议栈，包括 TCP/IP 协议，协议栈上面是 socket 接口，socket 负责与外部进行通信，充当了门的作用。

磁盘驱动上面是 I/O 调度器，它负责排序和分配磁盘读写操作，以尽可能减少磁头的无用移动。

• I/O 右边的是内存部件，程序被装载进内存，由 CPU 执行，这里会涉及到虚拟内存的部件，页面的换入和换出是如何进行的，坏页面的替换和经常使用的页面会进行缓存。

• 进程模块负责进程的创建和终止、进程的调度、Linux 把进程和线程看作是可运行的实体，并使用统一的调度策略来进行调度。

在内核最顶层的是系统调用接口，所有的系统调用都是经过这里，系统调用会触发一个 trap，将系统从用户态转换为内核态，然后将控制权移交给上面的内核部件。