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Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核是其最重要的組成部分之一。內(nèi)核的作用是控制系統(tǒng)硬件并為其他程序提供服務(wù)接口。Linux內(nèi)核有很多模塊，這些模塊都有自己的職責(zé)和功能。為了更好地理解Linux內(nèi)核的組織架構(gòu)，我們需要了解一下它的源碼樹和內(nèi)核子系統(tǒng)。
一、源碼樹
Linux內(nèi)核的源碼樹是一個分層的目錄結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)核源碼、相關(guān)的文檔和編譯工具。它是一個由文件和目錄組成的樹形結(jié)構(gòu)，每個目錄都有一個特定的目的。
1. arch目錄
arch目錄包含各種支持的架構(gòu)（平臺）的子目錄。每個目錄下面都有與該架構(gòu)相關(guān)的源碼文件。這些文件定義了該架構(gòu)的硬件體系結(jié)構(gòu)與軟件體系結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。
2. block目錄
block目錄包含塊設(shè)備相關(guān)的代碼。它包括了文件系統(tǒng)的讀寫操作、磁盤驅(qū)動程序等。這些代碼可以提高IO性能，減少磁盤的損壞。
3. crypto目錄
crypto目錄包含的是Linux內(nèi)核的加密子系統(tǒng)。即可用于數(shù)據(jù)加密和解密的一些算法和接口。這是一個很重要的子系統(tǒng)，用于保護(hù)用戶數(shù)據(jù)和敏感信息。
4. fs目錄
fs目錄是Linux內(nèi)核的文件系統(tǒng)子系統(tǒng)。它包括所有文件系統(tǒng)相關(guān)的代碼，如文件系統(tǒng)的讀寫、緩存等。
5. include目錄
include目錄包含所有Linux內(nèi)核的頭文件。這些頭文件為內(nèi)核的其他模塊提供函數(shù)和變量的聲明和定義。
6. init目錄
init目錄包含Linux內(nèi)核的啟動代碼。這些代碼將配置系統(tǒng)的硬件并啟動之一個進(jìn)程，加載之一個用戶態(tài)程序。
7. kernel目錄
kernel目錄包含了內(nèi)核核心代碼。這些文件實(shí)現(xiàn)了程序運(yùn)行的核心功能，包括進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、信號管理等。
8. lib目錄
lib目錄是一個通用目錄，包含的是內(nèi)核的通用庫函數(shù)。
9. mm目錄
mm目錄是Linux內(nèi)核的內(nèi)存管理子系統(tǒng)。它包括內(nèi)存分配和釋放、虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的映射等。
10. net目錄
net目錄是Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。它包括tcp、udp、ip協(xié)議棧等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。
11. security目錄
security目錄是Linux內(nèi)核的安全子系統(tǒng)。它提供基于角色、基于策略的訪問控制。
12. sound目錄
sound目錄是Linux內(nèi)核的音頻子系統(tǒng)。它提供處理音頻的功能，如音頻I/O、音頻編解碼等。
二、內(nèi)核子系統(tǒng)
除了源碼樹之外，Linux內(nèi)核還有很多子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)負(fù)責(zé)某一方面的工作，并提供對外的接口。
1. 進(jìn)程子系統(tǒng)
進(jìn)程子系統(tǒng)包括進(jìn)程管理、調(diào)度和同步原語。它提供了內(nèi)核和用戶程序之間的接口。通過進(jìn)程子系統(tǒng)，用戶程序可以創(chuàng)建、銷毀進(jìn)程，以及控制進(jìn)程執(zhí)行和資源申請。
2. 內(nèi)存子系統(tǒng)
內(nèi)存子系統(tǒng)負(fù)責(zé)內(nèi)存分配和釋放、頁面管理、虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的映射、交換等。它是內(nèi)核中最基礎(chǔ)的子系統(tǒng)之一。
3. 文件系統(tǒng)子系統(tǒng)
文件系統(tǒng)子系統(tǒng)是Linux內(nèi)核的一個核心子系統(tǒng)。它提供所有文件系統(tǒng)的通用接口，包括打開、關(guān)閉、讀寫、復(fù)制、創(chuàng)建、刪除等。
4. 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)是Linux內(nèi)核的另一個核心子系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)了一系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如TCP/IP協(xié)議棧、路由、ARP協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動等。
5. 設(shè)備子系統(tǒng)
設(shè)備子系統(tǒng)是Linux內(nèi)核的另一個重要子系統(tǒng)。它負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)硬件設(shè)備，如磁盤、USB設(shè)備、聲卡、網(wǎng)卡等。設(shè)備驅(qū)動程序就是在設(shè)備子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。
6. 安全子系統(tǒng)
安全子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的安全機(jī)制，如SELinux。它通過提供安全策略和權(quán)限檢查，保護(hù)系統(tǒng)和用戶的安全。
7. 電源管理子系統(tǒng)
電源管理子系統(tǒng)提供了對系統(tǒng)電源的管理。它可以在系統(tǒng)空閑或沒有任何任務(wù)時，自動將系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以節(jié)省電能。
Linux內(nèi)核是一個非常龐大和復(fù)雜的系統(tǒng)。它由許多不同的模塊和子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)有自己的職責(zé)和功能。要想深入了解Linux內(nèi)核，需要對其源碼樹和各個子系統(tǒng)有一定的了解。熟悉這些結(jié)構(gòu)，可以幫助我們更好地理解Linux內(nèi)核，并更好地開發(fā)和維護(hù)Linux系統(tǒng)。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- Linux 內(nèi)核的內(nèi)存管理 – 概念
Linux 內(nèi)核的內(nèi)存管理 – 概念
Concepts overview — The Linux Kernel documentation
Linux中的內(nèi)存管理是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，經(jīng)過多年的發(fā)展，它包含越來越多的功能，以支持從 MMU-less microcontrollers 到 supercomputers 的各種系統(tǒng)。
沒有MMU內(nèi)存管理的系統(tǒng)被稱為 nommu ，它值得寫一份專門的文檔進(jìn)行描述。
盡管有些概念是相同的，這里我們假設(shè)MMU可用，CPU可以將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。
計算機(jī)系統(tǒng)中的物理內(nèi)存是有限資源，即便支持內(nèi)存熱插拔，其可以安裝的內(nèi)存也有限的。物理內(nèi)存不一定必須是連續(xù)的；它可以作為一組不同的地址范圍被訪問。此外，不同的CPU架構(gòu)，甚至同架構(gòu)的不同實(shí)現(xiàn)對如何定義這些地址范圍都是不同的。
這使得直接處理物理內(nèi)存異常復(fù)雜，為了避免這種復(fù)雜性，開發(fā)了
虛擬內(nèi)存 （virtual memory）
的概念。
虛擬內(nèi)存從應(yīng)用軟件中抽象出物理內(nèi)存的細(xì)節(jié)，只允許在物理內(nèi)存棗神中保留需要的信息
（demand paging）
，并提供一種機(jī)制來保護(hù)和控制進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)共享。
通過虛擬內(nèi)存，每次內(nèi)存訪問都訪問一個
虛擬地址
。當(dāng)CPU對從系統(tǒng)內(nèi)存讀?。ɑ?qū)懭耄┑闹噶钸M(jìn)行解碼時，它將該指令中編碼的虛擬地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存控制器可以理解的物理地址。
物理內(nèi)存被切分為
頁幀 page frames
或
頁 pages
。頁的大小是基于架構(gòu)的。一些架構(gòu)允許從幾個支持的值中選擇頁大小；此選擇在內(nèi)核編譯時設(shè)置到內(nèi)核配置。
每個物理內(nèi)存頁都可以映射為一個或多個
虛擬頁（virtual pages）
。映射關(guān)系描述在
頁表（page tables）
中，頁表將程序使用的虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理內(nèi)存地址。頁表以層次結(jié)構(gòu)組織。
更底層的表包含軟件使用的實(shí)際內(nèi)存頁的物理地址。較高層的表包含較低層表頁的物理地址。頂層表的指針駐留在寄存器中。
當(dāng)CPU進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換的時候，它使用寄存器訪問頂級頁表。
虛擬地址的高位，用于頂級頁表的條目索引。然后，通過該條目訪問下級，下級的虛擬地址位又作為其下下級頁表的索引。虛擬地址的更低位定義實(shí)際頁內(nèi)的偏移量。
地址轉(zhuǎn)換需要多次內(nèi)存訪問，而內(nèi)存訪問相對于CPU速度來說比較慢。為了避免在地址轉(zhuǎn)換上花費(fèi)寶貴的處理器周期，CPU維護(hù)著一個稱為
TLB
（Translation Lookaside Buffer）的用于地址轉(zhuǎn)換緩存（cache）。通常TLB是非常稀缺的資源，需要大內(nèi)存工作應(yīng)用程序會因?yàn)門LB未命中而影響性能。
很多現(xiàn)代CPU架構(gòu)允許頁表的高層直接映射到內(nèi)存頁。例如，x86架構(gòu)，可以通過二級、三級頁表的條目映射2M甚至1G內(nèi)存頁。在Linux中，這些內(nèi)存頁稱為
大頁 （Huge）
。大頁的使用顯著降低了TLB的壓力，提高了TLB命中率，從而提高了系統(tǒng)的整體性能。
Linux提供兩種機(jī)制開啟使用大頁映射物理內(nèi)存。
之一個是
HugeTLB
文件系統(tǒng)，即
hugetlbfs
。它是一個偽文件系統(tǒng)，使用RAM作為其存儲。在此文件系統(tǒng)中創(chuàng)建的文件，數(shù)據(jù)駐留在內(nèi)存中，并使用大頁進(jìn)行映射。
關(guān)于 HugeTLB Pages
另一個被稱為
THP (Transparent HugePages)
，后出的開啟大頁映射物理內(nèi)存的機(jī)制。
與
hugetlbfs
不同，hugetlbfs要求用戶和/或系統(tǒng)管理員配置系統(tǒng)內(nèi)存的哪些部分應(yīng)該并可以被大頁映射；THP透明地管理這些映射并獲取名稱。
關(guān)于 Transparent Hugepage Support
通常，硬件對不同物理內(nèi)存范圍的訪問方式有所限制。某些情況下，設(shè)備不能對所有可尋址內(nèi)存執(zhí)行DMA。在其他情況下，物理內(nèi)存的大小超過虛擬內(nèi)存的更大可尋址大小，需要采取改巖大特殊措施來訪問部分內(nèi)存。還有些情況，物理內(nèi)存的尺寸超過了虛擬內(nèi)存的更大可尋址尺寸，需要采取特殊措施來訪問部分內(nèi)存。
Linux根據(jù)內(nèi)存頁的使用情況，將其組合為多個
zones
。比如， ZONE_DMA 包含設(shè)備用于DMA的內(nèi)存， ZONE_HIGHMEM 包含未永久映射到內(nèi)核核豎地址空間的內(nèi)存， ZONE_NORMAL 包含正常尋址內(nèi)存頁。
內(nèi)存zones的實(shí)際層次架構(gòu)取決于硬件，因?yàn)椴⒎撬屑軜?gòu)都定義了所有的zones，不同平臺對DMA的要求也不同。
多處理器機(jī)器很多基于
NUMA
（Non-Uniform Memory Access system – 非統(tǒng)一內(nèi)存訪問系統(tǒng) ）架構(gòu)。 在這樣的系統(tǒng)中，根據(jù)與處理器的“距離”，內(nèi)存被安排成具有不同訪問延遲的
banks
。每個
bank
被稱為一個
node
，Linux為每個
node
構(gòu)造一個獨(dú)立的內(nèi)存管理子系統(tǒng)。
Node
有自己的zones、free&used頁面列表，以及各種統(tǒng)計計數(shù)器。
What is NUMA?
NUMA Memory Policy
物理內(nèi)存易失，將數(shù)據(jù)放入內(nèi)存的常見情況是讀取文件。讀取文件時，數(shù)據(jù)會放入
頁面緩存（page cache）
，可以在再次讀取時避免耗時的磁盤訪問。同樣，寫文件時，數(shù)據(jù)也會被放入
頁面緩存
，并最終進(jìn)入存儲設(shè)備。被寫入的頁被標(biāo)記為
臟頁（dirty page）
，當(dāng)Linux決定將其重用時，它會將更新的數(shù)據(jù)同步到設(shè)備上的文件。
匿名內(nèi)存 anonymous memory
或
匿名映射 anonymous mappings
表示沒有后置文件系統(tǒng)的內(nèi)存。這些映射是為程序的stack和heap隱式創(chuàng)建的，或調(diào)用mmap（2）顯式創(chuàng)建的。通常，匿名映射只定義允許程序訪問的虛擬內(nèi)存區(qū)域。讀，會創(chuàng)建一個頁表?xiàng)l目，該條目引用一個填充有零的特殊物理頁。寫，則分配一個常規(guī)物理頁來保存寫入數(shù)據(jù)。該頁將被標(biāo)記為臟頁，如果內(nèi)核決定重用該頁，則臟頁將被交換出去
swapped out
。
縱貫整個系統(tǒng)生命周期，物理頁可用于存儲不同類型的數(shù)據(jù)。它可以是內(nèi)核內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、設(shè)備驅(qū)動DMA緩沖區(qū)、讀取自文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、用戶空間進(jìn)程分配的內(nèi)存等。
根據(jù)內(nèi)存頁使用情況，Linux內(nèi)存管理會區(qū)別處理?？梢噪S時釋放的頁面稱為
可回收（reclaimable）
頁面，因?yàn)樗鼈儼褦?shù)據(jù)緩存到了其他地方（比如，硬盤），或者被swap out到硬盤上。
可回收頁最值得注意的是
頁面緩存
和
匿名頁面
。
在大多數(shù)情況下，存放內(nèi)部內(nèi)核數(shù)據(jù)的頁，和用作DMA緩沖區(qū)的頁無法重用，它們將保持現(xiàn)狀直到用戶釋放。這樣的被稱為
不可回收頁（unreclaimable）
。
然而，在特定情況下，即便是內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)占用的頁面也會被回收。
例如，文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的緩存（in-memory）可以從存儲設(shè)備中重新讀取，因此，當(dāng)系統(tǒng)存在內(nèi)存壓力時，可以從主內(nèi)存中丟棄它們。
釋放可回收物理內(nèi)存頁并重新調(diào)整其用途的過程稱為
(surprise!) reclaim
。
Linux支持異步或同步回收頁，取決于系統(tǒng)的狀態(tài)。
當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載不高時，大部分內(nèi)存是空閑的，可以立即從空閑頁得到分配。
當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載提升后，空閑頁減少，當(dāng)達(dá)到某個閾值（
low watermark
）時，內(nèi)存分配請求將喚醒
kswapd
守護(hù)進(jìn)程。它將以異步的方式掃描內(nèi)存頁。如果內(nèi)存頁中的數(shù)據(jù)在其他地方也有，則釋放這些內(nèi)存頁；或者退出內(nèi)存到后置存儲設(shè)備（關(guān)聯(lián)
臟頁
）。
隨著內(nèi)存使用量進(jìn)一步增加，并達(dá)到另一個閾值-
min watermark
-將觸發(fā)回收。這種情況下，分配將暫停，直到回收到足夠的內(nèi)存頁。
當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，任務(wù)分配并釋放內(nèi)存，內(nèi)存變得碎片化。
雖然使用虛擬內(nèi)存可以將分散的物理頁表示為虛擬連續(xù)范圍，但有時需要分配大的連續(xù)的物理內(nèi)存。這種需求可能會提升。例如，當(dāng)設(shè)備驅(qū)動需要一個大的DMA緩沖區(qū)時，或當(dāng)THP分配一個大頁時。
內(nèi)存地址壓縮（compaction ）
解決了碎片問題。
該機(jī)制將占用的頁從內(nèi)存zone的下部移動到上部的空閑頁。壓縮掃描完成后，zone開始處的空閑頁就并在一起了，分配較大的連續(xù)物理內(nèi)存就可行了。
與
reclaim
類似，
compaction
可以在
kcompactd守護(hù)進(jìn)程中異步進(jìn)行，也可以作為內(nèi)存分配請求的結(jié)果同步進(jìn)行。
在存在負(fù)載的機(jī)器上，內(nèi)存可能會耗盡，內(nèi)核無法回收到足夠的內(nèi)存以繼續(xù)運(yùn)行。
為了保障系統(tǒng)的其余部分，引入了
OOM killer
。
OOM killer
選擇犧牲一個任務(wù)來保障系統(tǒng)的總體健康。選定的任務(wù)被killed，以期望在它退出后釋放足夠的內(nèi)存以繼續(xù)正常的操作。
關(guān)于linux內(nèi)核組織架構(gòu)的介紹到此就結(jié)束了，不知道你從中找到你需要的信息了嗎 ？如果你還想了解更多這方面的信息，記得收藏關(guān)注本站。
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網(wǎng)站題目：探秘Linux內(nèi)核的組織架構(gòu)：源碼樹與內(nèi)核子系統(tǒng)簡介 (linux內(nèi)核組織架構(gòu))
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