扣丁學堂解析Linux 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2018-09-06 09:37:37
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隨著互聯(lián)網(wǎng)IT行業(yè)的發(fā)展，越來越多的人選擇入坑互聯(lián)網(wǎng)，程序員是一個很好的選擇，但是很多沒有基礎(chǔ)的同學都會選擇先去培訓機構(gòu)培訓，今天小編先來給參加Linux培訓的同學講一下Linux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
Linux系統(tǒng)一般有4個主要部分：
內(nèi)核、shell、文件系統(tǒng)和應用程序。內(nèi)核、shell和文件系統(tǒng)一起形成了基本的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它們使得用戶可以運行程序、管理文件并使用系統(tǒng)。部分層次結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。
1、linux內(nèi)核
內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心，具有很多最基本功能，它負責管理系統(tǒng)的進程、內(nèi)存、設備驅(qū)動程序、文件和網(wǎng)絡系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。
Linux內(nèi)核由如下幾部分組成：內(nèi)存管理、進程管理、設備驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡管理等。如圖：
圖1
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。這個接口依賴于體系結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的部分。
2、內(nèi)存管理
對任何一臺計算機而言，其內(nèi)存以及其它資源都是有限的。為了讓有限的物理內(nèi)存滿足應用程序?qū)?nèi)存的大需求量，Linux采用了稱為“虛擬內(nèi)存”的內(nèi)存管理方式。Linux將內(nèi)存劃分為容易處理的“內(nèi)存頁”（對于大部分體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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。
3、進程管理
進程實際是某特定應用程序的一個運行實體。在Linux系統(tǒng)中，能夠同時運行多個進程，Linux通過在短的時間間隔內(nèi)輪流運行這些進程而實現(xiàn)“多任務”。這一短的時間間隔稱為“時間片”，讓進程輪流運行的方法稱為“進程調(diào)度”，完成調(diào)度的程序稱為調(diào)度程序。
進程調(diào)度控制進程對CPU的訪問。當需要選擇下一個進程運行時，由調(diào)度程序選擇最值得運行的進程。可運行進程實際上是僅等待CPU資源的進程，如果某個進程在等待其它資源，則該進程是不可運行進程。Linux使用了比較簡單的基于優(yōu)先級的進程調(diào)度算法選擇新的進程。
通過多任務機制，每個進程可認為只有自己獨占計算機，從而簡化程序的編寫。每個進程有自己單獨的地址空間，并且只能由這一進程訪問，這樣，操作系統(tǒng)避免了進程之間的互相干擾以及“壞”程序?qū)ο到y(tǒng)可能造成的危害。為了完成某特定任務，有時需要綜合兩個程序的功能，例如一個程序輸出文本，而另一個程序?qū)ξ谋具M行排序。為此，操作系統(tǒng)還提供進程間的通訊機制來幫助完成這樣的任務。Linux中常見的進程間通訊機制有信號、管道、共享內(nèi)存、信號量和套接字等。
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PortableOperatingSystemInterface[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）。
4、文件系統(tǒng)
和DOS等操作系統(tǒng)不同，Linux操作系統(tǒng)中單獨的文件系統(tǒng)并不是由驅(qū)動器號或驅(qū)動器名稱（如A:或C:等）來標識的。相反，和UNIX操作系統(tǒng)一樣，Linux操作系統(tǒng)將獨立的文件系統(tǒng)組合成了一個層次化的樹形結(jié)構(gòu)，并且由一個單獨的實體代表這一文件系統(tǒng)。Linux將新的文件系統(tǒng)通過一個稱為“掛裝”或“掛上”的操作將其掛裝到某個目錄上，從而讓不同的文件系統(tǒng)結(jié)合成為一個整體。Linux操作系統(tǒng)的一個重要特點是它支持許多不同類型的文件系統(tǒng)。Linux中最普遍使用的文件系統(tǒng)是Ext2，它也是Linux土生土長的文件系統(tǒng)。但Linux也能夠支持FAT、VFAT、FAT32、MINIX等不同類型的文件系統(tǒng)，從而可以方便地和其它操作系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。由于Linux支持許多不同的文件系統(tǒng)，并且將它們組織成了一個統(tǒng)一的虛擬文件系統(tǒng).
虛擬文件系統(tǒng)（VirtualFileSystem,VFS）:隱藏了各種硬件的具體細節(jié)，把文件系統(tǒng)操作和不同文件系統(tǒng)的具體實現(xiàn)細節(jié)分離了開來，為所有的設備提供了統(tǒng)一的接口，VFS提供了多達數(shù)十種不同的文件系統(tǒng)。虛擬文件系統(tǒng)可以分為邏輯文件系統(tǒng)和設備驅(qū)動程序。邏輯文件系統(tǒng)指Linux所支持的文件系統(tǒng)，如ext2,fat等，設備驅(qū)動程序指為每一種硬件控制器所編寫的設備驅(qū)動程序模塊。
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。即VFS在用戶和文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層。
VFS在用戶和文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層:
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(guān)）。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(qū)動程序，它實現(xiàn)了特定物理設備的接口。
因此，用戶和進程不需要知道文件所在的文件系統(tǒng)類型，而只需要象使用Ext2文件系統(tǒng)中的文件一樣使用它們。
5、設備驅(qū)動程序
設備驅(qū)動程序是Linux內(nèi)核的主要部分。和操作系統(tǒng)的其它部分類似，設備驅(qū)動程序運行在高特權(quán)級的處理器環(huán)境中，從而可以直接對硬件進行操作，但正因為如此，任何一個設備驅(qū)動程序的錯誤都可能導致操作系統(tǒng)的崩潰。設備驅(qū)動程序?qū)嶋H控制操作系統(tǒng)和硬件設備之間的交互。
設備驅(qū)動程序提供一組操作系統(tǒng)可理解的抽象接口完成和操作系統(tǒng)之間的交互，而與硬件相關(guān)的具體操作細節(jié)由設備驅(qū)動程序完成。一般而言，設備驅(qū)動程序和設備的控制芯片有關(guān)，例如，如果計算機硬盤是SCSI硬盤，則需要使用SCSI驅(qū)動程序，而不是IDE驅(qū)動程序。
6.網(wǎng)絡接口（NET）
提供了對各種網(wǎng)絡標準的存取和各種網(wǎng)絡硬件的支持。網(wǎng)絡接口可分為網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡驅(qū)動程序。網(wǎng)絡協(xié)議部分負責實現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。眾所周知，TCP/IP協(xié)議是Internet的標準協(xié)議，同時也是事實上的工業(yè)標準。
Linux的網(wǎng)絡實現(xiàn)支持BSD套接字，支持全部的TCP/IP協(xié)議。Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡部分由BSD套接字、網(wǎng)絡協(xié)議層和網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序組成。網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序負責與硬件設備通訊，每一種可能的硬件設備都有相應的設備驅(qū)動程序。
7.linuxshell
shell是系統(tǒng)的用戶界面，提供了用戶與內(nèi)核進行交互操作的一種接口。它接收用戶輸入的命令并把它送入內(nèi)核去執(zhí)行，是一個命令解釋器。另外，shell編程語言具有普通編程語言的很多特點，用這種編程語言編寫的shell程序與其他應用程序具有同樣的效果。
目前主要有下列版本的shell。
1．BourneShell：是貝爾實驗室開發(fā)的。
2．BASH：是GNU的BourneAgainShell，是GNU操作系統(tǒng)上默認的shell,大部分linux的發(fā)行套件使用的都是這種shell。
3．KornShell：是對BourneSHell的發(fā)展，在大部分內(nèi)容上與BourneShell兼容。
4．CShell：是SUN公司Shell的BSD版本。
8.linux文件系統(tǒng)
文件系統(tǒng)是文件存放在磁盤等存儲設備上的組織方法。Linux系統(tǒng)能支持多種目前流行的文件系統(tǒng)，如EXT2、EXT3、FAT、FAT32、VFAT和ISO9660。
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