Linux内核结构

news2024/11/13 9:07:04

Linux内核结构

文章目录

  • Linux内核结构
    • 一、Linux内核结构介绍
      • 1.1 总体结构:
      • 1.2 Linux内核结构框图:
    • 二、图解Linux系统架构
    • 三、shell
      • 3.1 shell的含义:
      • 3.2 shell的作用:
      • 3.3 shell的类型:
      • 3.4 shell的使用:
      • 3.5 shell的权限:

一、Linux内核结构介绍

Linux内核是Linux操作系统的核心部分,负责管理计算机的硬件资源、提供系统服务、调度进程和处理设备驱动等功能。其结构采用了模块化的设计,由多个子系统和层级组成,每个子系统都负责特定的功能。以下是对Linux内核结构的详细介绍:

1.1 总体结构:

Linux内核从上到下可以分为几个主要层级,包括用户空间、系统调用接口、内核子系统等。用户空间提供了用户与内核之间的接口,包括应用程序、库函数、Shell等用户态的组件。系统调用接口则是用户空间与内核之间的桥梁,定义了用户态程序可以调用的系统调用函数,如文件操作、进程管理等。

  • 进程管理:负责进程的创建、调度、同步和终止等。内核通过调度器来分配CPU时间给各个进程,并提供进程间通信和同步机制。

  • 内存管理:管理计算机的物理内存和虚拟内存,包括内存的分配、回收、页面置换和内存映射等操作。内核确保每个进程都有足够的内存空间,并防止内存泄漏和冲突。

  • 文件系统:提供文件系统的接口,管理文件和目录的创建、读写、删除等操作。Linux内核支持多种文件系统,如ext4、XFS、Btrfs等。

  • 设备驱动:包含与硬件设备通信的驱动程序,允许操作系统控制和管理各种硬件设备,如硬盘、显示器、键盘、鼠标等。

  • 网络协议栈:实现网络协议栈,支持TCP/IP等网络协议,使Linux系统能够进行网络通信和数据传输。

  • 安全模块:提供安全机制,如用户和组权限管理、访问控制列表(ACL)等,以保护系统资源和数据的完整性和机密性。

  • 中断处理:负责处理硬件中断和异常事件,以及调度处理器执行中断服务程序。

  • 系统调用接口:为用户空间程序提供访问内核功能的接口,如打开文件、读取数据、执行系统命令等。

  • 虚拟文件系统(VFS):是一个抽象层,为不同的文件系统提供统一的接口,使得用户和程序可以通过相同的API来访问和操作文件。

  • 进程描述符:每个进程在内核中都有一个进程描述符(task_struct),用于保存与该进程相关的信息,如进程ID、状态、优先级等。

这些组件一起构成了 Linux 内核的核心结构。内核的源代码是 modulized 的,允许添加或删除特定功能的模块,以适应不同的需求。整个内核的结构和实现细节非常庞大,具体的功能和特性取决于具体的内核版本和配置。

1.2 Linux内核结构框图:

在这里插入图片描述

内核是一个很厉害的超级逻辑,把硬件底层的东西抽象化,对用户来说只需要调API就好了,根本不需要管寄存器,协议,总线…(单片机会去直接操作),这些全部由操作系统做好。动不动写个操作系统是不现实的。

二、图解Linux系统架构

在这里插入图片描述

层次结构解析:

  1. 用户空间(User Space)

    • 位置:最外层。
    • 内容
      • 壳(Shell):用户与系统交互的接口,负责接收用户的输入(如命令行指令)并传递给操作系统进一步处理。
      • 库函数:提供了一系列高级功能的封装,比如文件操作函数(open, read, write等),这些函数在内部会调用系统调用接口。
    • 特点:用户空间的应用程序和库函数运行在较低的权限级别,不能直接访问硬件资源。
  2. 核心空间(Kernel Space)

    • 位置:位于用户空间和内核之间,但在这里更直接地指向了系统调用接口。
    • 内容
      • 系统调用接口:是用户空间与内核空间之间的桥梁,定义了用户程序可以调用的函数集,如sys_open, sys_read, sys_write等,用于执行具体的文件操作。
    • 注意:虽然图示中标为“核心空间”,但通常这一层次更多地被理解为系统调用层或系统调用接口层。
  3. 内核(Kernel)

    • 位置:第三层,是操作系统的核心部分。
    • 内容
      • 内核函数:如sys_open, sys_read, sys_write等,这些函数直接由系统调用接口触发,负责执行具体的文件操作任务。
      • 其他功能:还包括进程管理、内存管理、设备驱动管理等。
    • 特点:内核运行在最高的权限级别,能够直接访问硬件资源。
  4. 硬件(Hardware)

    • 位置:最内层。
    • 内容:包括处理器(CPU)、存储设备、输入输出设备等物理硬件。
    • 特点:所有软件层面的操作最终都会映射到硬件上的具体指令或操作,实现数据的读写、设备的控制等功能。
  • “比如:应用 我们自己实现的文件拷贝程序”:它暗示了用户通过编写应用程序(位于用户空间),利用库函数(如open, read, write),通过系统调用接口与内核交互,最终由内核完成文件数据的读取、复制和写入操作,整个过程涉及了从用户空间到硬件的多个层次。

三、shell

Linux中的shell是系统的用户界面,提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。具体来说,shell是一个在Linux内核与用户之间的解释器程序,它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行。以下是关于Linux中shell的详细解释:

3.1 shell的含义:

  • 英文含义:shell的英文原意是“壳”,在Linux中,它相对于内核来说,是构建在内核之上的一个用户层界面,类似于一个包裹在内核外面的壳。
  • 功能定位:shell是用户与Linux系统交互的桥梁,用户通过shell输入命令,shell将这些命令转换成系统可以理解的指令,然后交给内核执行。

3.2 shell的作用:

  1. 命令解释器:shell可以解析用户输入的命令,并将其转换成系统可执行的指令。
  2. 脚本编程:shell有自己的编程语言,允许用户编写由shell命令组成的程序,这些程序可以自动化执行一系列命令或任务。
  3. 环境配置:shell还负责配置用户的工作环境,包括设置环境变量、定义搜索路径等。
  4. 管道和重定向:shell支持管道和重定向功能,可以将一个命令的输出作为另一个命令的输入,或者将命令的输入/输出重定向到文件中。
  5. 用户和权限管理:shell可以用于管理用户和权限,包括用户的创建、删除、修改密码以及文件和目录的权限设置等。

3.3 shell的类型:

Linux中常见的shell类型包括Bash(Bourne Again SHell)、Z Shell(Zsh)、C Shell(Csh)等。其中,Bash是最常用的shell之一,它提供了丰富的功能和良好的兼容性。

3.4 shell的使用:

用户可以通过终端(Terminal)或图形界面的终端模拟器(如GNOME Terminal、KDE Konsole等)来访问shell。在shell中,用户可以输入命令并查看执行结果。此外,用户还可以编写shell脚本来自动化执行一系列命令或任务。

3.5 shell的权限:

在Linux系统中,每个文件和目录都有自己的权限设置,这些权限决定了哪些用户或用户组可以对其进行读、写或执行操作。shell命令的执行也受到权限的限制,只有具有相应权限的用户才能执行特定的命令。

中,每个文件和目录都有自己的权限设置,这些权限决定了哪些用户或用户组可以对其进行读、写或执行操作。shell命令的执行也受到权限的限制,只有具有相应权限的用户才能执行特定的命令。

  • 综上所述一句话说明shell:shell也是一个应用程序,给用户提供了操纵内核的工具一个shell对应一个终端(terminal),在终端输入的指令就会直接传递给shell进行解释,然后对内核进行相应的操作。

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