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Linux 内核架构入门：从基础概念到面试指南*

article 2025/2/19 9:58:58

1. 引言

Linux 内核是现代操作系统的核心，负责管理硬件资源、提供系统调用、处理进程调度等功能。对于初学者来说，理解 Linux 内核的架构是深入操作系统开发的第一步。本篇博文将详细介绍 Linux 内核的架构体系，结合硬件、子系统及软件支持的层次关系，讲解各子系统的作用，并提供面试常见问题及解析，帮助你快速入门并掌握关键知识点。

2. Linux 内核架构概览

Linux 内核可按照层次结构划分为多个模块化组件，每个部分负责不同的功能，共同协作提供高效、稳定的系统环境。
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2.1 Linux 内核的分层架构

根据系统功能，Linux 内核可以分为以下主要层次：

用户空间（User Space）：
- 提供系统调用接口，应用程序通过 API 访问内核功能。
- 主要由 GNU C Library（glibc）和 Shell 组成。
内核空间（Kernel Space）：
- 进程管理（Process Management）：调度进程、管理多任务。
- 内存管理（Memory Management）：虚拟内存、分页机制、交换空间。
- 文件系统（File System）：文件目录管理、VFS 抽象层。
- 设备驱动（Device Drivers）：连接硬件和内核，如存储、网络、字符设备。
- 网络子系统（Networking）：TCP/IP 协议栈，支持网络通信。
- 中断与同步（Interrupts & Synchronization）：中断处理、锁机制、并发控制。
硬件层（Hardware Layer）：
- 物理 CPU、内存、磁盘、输入输出设备、网络接口等。
- 通过设备驱动与内核交互。

2.2 进程管理（Process Management）

进程控制：Linux 内核管理的基本单元，负责进程的创建、调度、终止。
进程调度：
- 使用 CFS（Completely Fair Scheduler）进行调度。
- 采用 红黑树 存储 vruntime 值，优先调度 vruntime 最小的进程。
进程间通信（IPC）：
- 共享内存、消息队列、管道、信号量。
系统调用：
- fork() 创建新进程。
- execve() 运行新程序。
- waitpid() 等待子进程终止。

2.3 内存管理（Memory Management）

虚拟内存管理：
- 使用 MMU（Memory Management Unit）管理虚拟地址和物理地址映射。
分页机制：
- 分页存储，提供进程间内存隔离。
内存分配策略：
- 伙伴系统（Buddy System）：用于物理页面分配。
- Slab 分配器：用于小块内存管理。
相关系统调用：
- mmap() 映射文件到进程地址空间。
- brk() 修改堆大小。
- munmap() 解除映射。

2.4 文件系统（File System）

VFS（Virtual File System）：
- 提供文件系统抽象层，支持 ext4、xfs、btrfs 等不同文件系统。
关键数据结构：
- inode（存储文件元数据）。
- dentry（存储目录项信息）。
- superblock（记录文件系统信息）。
关键系统调用：
- open() 打开文件。
- read() 读取文件。
- write() 写入文件。

2.5 设备驱动（Device Drivers）

设备类型：
- 字符设备（键盘、串口）。
- 块设备（磁盘）。
- 网络设备（网卡）。
设备驱动接口：
- register_chrdev() 注册字符设备。
- alloc_chrdev_region() 分配设备号。
中断处理：
- 软中断（SoftIRQ）、工作队列（Workqueue）。

2.6 网络子系统（Networking）

分层结构：
- 数据链路层（Ethernet）。
- 网络层（IP）。
- 传输层（TCP/UDP）。
- 应用层（HTTP、DNS）。
Socket API：
- socket() 创建套接字。
- bind() 绑定端口。
- listen() 监听连接。
- sendto() 发送数据。

2.7 内核同步机制（Synchronization）

多种同步机制，防止竞态条件（Race Condition）。
关键机制：
- 信号量（Semaphore）。
- 自旋锁（Spinlock）。
- RCU（Read-Copy Update）。

3. 关键知识点与示例

3.1 进程调度示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("子进程: PID = %d\n", getpid());
    } else {
        printf("父进程: PID = %d\n", getpid());
    }
    return 0;
}

3.2 设备驱动示例

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#define DEVICE_NAME "mychardev"
static int my_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "设备打开\n");
    return 0;
}
static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_open,
};
static int __init my_init(void) {
    register_chrdev(240, DEVICE_NAME, &fops);
    printk(KERN_INFO "字符设备注册成功\n");
    return 0;
}
static void __exit my_exit(void) {
    unregister_chrdev(240, DEVICE_NAME);
    printk(KERN_INFO "字符设备注销\n");
}
module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");