设备驱动程序、块设备和字符设备

设备驱动程序用于与系统连接的输入/输出装置通信，如硬盘、软驱、各种接口、声卡等。按照经典的UNIX箴言“万物皆文件”（everything is a file），对外设的访问可利用/dev目录下的设备文件来完成，程序对设备的处理完全类似于常规的文件

• 字符设备：提供连续的数据流，应用程序可以顺序读取，通常不支持随机存取。相反，此类设备支持按字节/字符来读写数据。举例来说，调制解调器是典型的字符设备。
• 块设备：应用程序可以随机访问设备数据，程序可自行确定读取数据的位置。硬盘是典型的块设备，应用程序可以寻址磁盘上的任何位置，并由此读取数据。此外，数据的读写只能以块（通常是512B）的倍数进行。与字符设备不同，块设备并不支持基于字符的寻址

网络

网卡也可以通过设备驱动程序控制，但在内核中属于特殊状况，因为网卡不能利用设备文件访问。原因在于在网络通信期间，数据打包到了各种协议层中。在接收到数据时，内核必须针对各协议层的
处理，对数据进行拆包与分析，然后才能将有效数据传递给应用程序。在发送数据时，内核必须首先根据各个协议层的要求打包数据，然后才能发送。

为支持通过文件接口处理网络连接（按照应用程序的观点）， Linux使用了源于BSD的套接字抽象。套接字可以看作应用程序、文件接口、内核的网络实现之间的代理

文件系统

Linux系统由数以千计乃至百万计的文件组成，其数据存储在硬盘或其他块设备（例如ZIP驱动、软驱、光盘等）。存储使用了层次式文件系统。文件系统使用目录结构组织存储的数据，并将其他元信息（例如所有者、访问权限等）与实际数据关联起来

内核必须提供一个额外的软件层，将各种底层文件系统的具体特性与应用层（和内核自身）隔离开来。该软件层称为VFS（Virtual Filesystem或Virtual Filesystem Switch，虚拟文件系统或虚拟文件系统交换器）。 VFS既是向下的接口（所有文件系统都必须实现该接口），同时也是向上的接口（用户进程通过系统调用最终能够访问文件系统功能）

模块和热插拔

模块用于在运行时动态地向内核添加功能，如设备驱动程序、文件系统、网络协议等，实际上内核的任何子系统几乎都可以模块化

模块还可以在运行时从内核卸载，这在开发新的内核组件时很有用。模块在本质上不过是普通的程序，只是在内核空间而不是用户空间执行而已。模块必须提供某些代码段在模块初始化（和终止）时执行，以便向内核注册和注销模块。另外，模块代码与普通内核代码的权利（和义务）都是相同的，可以像编译到内核中的代码一样，访问内核中所有的函数和数据

缓存

内核使用缓存来改进系统性能。从低速的块设备读取的数据会暂时保持在内存中，即使数据在当时已经不再需要了。在应用程序下一次访问该数据时，它可以从访问速度较快的内存中读取，因而绕
过了低速的块设备。由于内核是通过基于页的内存映射来实现访问块设备的，因此缓存也按页组织，也就是说整页都缓存起来，故称为页缓存（page cache）

对象管理和引用计数

内核中很多地方都需要跟踪记录C语言中结构的实例。尽管这些对象的用法大不相同，但各个不同子系统的某些操作非常类似，例如引用计数。这导致了代码复制。由于这是个糟糕的问题，因此在内核版本2.5的开发期间，内核采用了一般性的方法来管理内核对象。所引入的框架并不只是为了防止代码复制，同时也为内核不同部分管理的对象提供了一致的视图，在内核的许多部分可以有效地使用相关信息，如电源管理

一般性的内核对象机制可用于执行下列对象操作：

• 引用计数
• 管理对象链表（集合）
• 集合加锁
• 将对象属性导出到用户空间（通过sysfs文件系统）

下列数据结构将嵌入其他数据结构中，用作内核对象的基础

k_name是对象的文本名称，可利用sysfs导出到用户空间。sysfs是一个虚拟文件系统，可以将系统的各种属性描述导出到用户空间。 sd即用于支持内核对象与sysfs之间的关联
kref类型为struct kref，用于简化引用计数的管理。我会在下文讨论该结构。
entry是一个标准的链表元素，用于将若干kobject放置到一个链表中（在这种情况下称为集合）。
将对象与其他对象放置到一个集合时，则需要kset。
parent是一个指向父对象的指针，可用于在kobject之间建立层次结构。
ktype提供了包含kobject的数据结构的更多详细信息。其中，最重要的是用于释放该数据结构资源的析构器函数

数据类型

内核使用typedef来定义各种数据类型，以避免依赖于体系结构相关的特性，比如，各个处理器上标准数据类型的位长可能都不见得相同。定义的类型名称如sector_t（用于指定块设备上的扇区编号）、 pid_t（表示进程ID）等

内核定义了若干整数数据类型，不仅明确标明了是有符号数还是无符号数，而且还指定了相关类型的精确位数。例如， __s8和__u8分别是有符号（__s8）和无符号（__u8）的8位整数。 __u16和__s16、 __u32和__s32、 __u64和__s64的定义类似

源代码中的多处指针都标记为__user，该标识符对用户空间程序设计是未知的。内核使用该记号来标识指向用户地址空间中区域的指针，在没有进一步预防措施的情况下，不能轻易访问这些指针指向的区域。这是因为内存是通过页表映射到虚拟地址空间的用户空间部分的，而不是由物理内存直接映射的。因此内核需要确保指针所指向的页帧确实存在于物理内存中。

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