Linux内核与文件系统分析

1、Linux内核源代码目录结构

arch：包含和硬件体系结构相关的代码，每种平台占一个相应的目录，如i386、arm、powerpc、mips等。
block：块设备驱动程序I/O调度。
crypto：常用加密和散列算法（如AES、SHA等），还有一些压缩和CRC校验算法。
Documentation：内核各部分的通用解释和注释。
drivers：设备驱动程序，每个不同的驱动占用一个子目录，如char、block、net、mtd、i2c等。
fs：支持的各种文件系统，如EXT、FAT、NTFS、JFFS2等。
include：头文件，与系统相关的头文件被放置在include/linux子目录下。
init：内核初始化代码。
ipc：进程间通信的代码。
kernel：内核的最核心部分，包括进程调度、定时器等，而和平台相关的一部分代码放在arch/*/kernel目录下。
lib：库文件代码。
mm：内存管理代码，和平台相关的一部分代码放在arch/*/mm目录下。
net：网络相关代码，实现了各种常见的网络协议。
scripts：用于配置内核的脚本文件。
security：主要是一个SELinux的模块。
sound：ALSA、OSS音频设备的驱动核心代码和常用设备驱动。
usr：实现了用于打包和压缩的cpio等。

2、Linux内核的组成部分

如下图所示，Linux内核主要由进程调度（SCHED）、内存管理（MM）、虚拟文件系统（VFS）、网络接口（NET）和进程间通信（IPC）5个子系统组成。

1、进程调度

进程调度控制系统中的多个进程对CPU的访问，使得多个进程能在CPU中“微观串行，宏观并行”地执行。进程调度处于系统的
中心位置，内核中其他的子系统都依赖它，因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。
如上图所示，Linux的进程在几个状态间进行切换。在设备驱动编程中，当请求的资源不能得到满足时，驱动一般会调度其他进程执行，并使本进程进入睡眠状态，直到它请求的资源被释放，才会被唤醒而进入就绪态。睡眠分成可被打断的睡眠和不可被打断的睡眠，两者的区别在于可被打断的睡眠在收到信号的时候会醒。

在设备驱动编程中，当请求的资源不能得到满足时，驱动一般会调度其他进程执行，其对应进程进入睡眠状态，直到它请求的资源被释放，才会被唤醒而进入就绪态。

设备驱动中，如果需要几个并发执行的任务，可以启动内核线程，启动内核线程的函数为：

pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags);

2、内存管理

内存管理的主要作用是控制多个进程安全地共享主内存区域。当CPU提供内存管理单元（MMU）时，Linux内存管理完成为每个进程进行虚拟内存到物理内存的转换。Linux 2.6引入了对无MMU CPU的支持。
如下图所示，一般而言，Linux的每个进程享有4GB的内存空间，0～3GB属于用户空间，3～4GB属于内核空间，内核空间对常规内存、I/O设备内存以及高端内存存在不同的处理方式。

3、虚拟文件系统

如下图所示，Linux虚拟文件系统（VFS）隐藏各种了硬件的具体细节，为所有的设备提供了统一的接口。而且，它独立于各个具体的文件系统，是对各种文件系统的一个抽象，它使用超级块super block存放文件系统相关信息，使用索引节点inode存放文件的物理信息，使用目录项dentry存放文件的逻辑信息。

4、网络接口

网络接口提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。如下图所示，在Linux中网络接口可分为网络协议和网络驱动程序，网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议，网络设备驱动程序负责与硬件设备通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。

5、进程通信

进程通信支持提供进程之间的通信，Linux支持进程间的多种通信机制，包含信号量、共享内存、管道等，这些机制可协助多个进程、多资源的互斥访问、进程间的同步和消息传递。
Linux内核的5个组成部分之间的依赖关系如下。

进程调度与内存管理之间的关系：这两个子系统互相依赖。在多道程序环境下，程序要运行必须为之创建进程，而创建进程的第一件事情，就是将程序和数据装入内存。
进程间通信与内存管理的关系：进程间通信子系统要依赖内存管理支持共享内存通信机制，这种机制允许两个进程除了拥有自己的私有空间，还可以存取共同的内存区域。
虚拟文件系统与网络接口之间的关系：虚拟文件系统利用网络接口支持网络文件系统(NFS)，也利用内存管理支持 RAMDISK设备。
内存管理与虚拟文件系统之间的关系：内存管理利用虚拟文件系统支持交换，交换进程（swapd）定期由调度程序调度，这也是内存管理依赖于进程调度的惟一原因。当一个进程存取的内存映射被换出时，内存管理向文件系统发出请求，同时，挂起当前正在运行的进程。

除了这些依赖关系外，内核中的所有子系统还要依赖于一些共同的资源。这些资源包括所有子系统都用到的例程，如分配和释放内存空间的函数、打印警告或错误信息的函数及系统提供的调试例程等。

3、Linux文件系统目录结构

进入Linux根目录（即“/”，Linux文件系统的入口，也是处于最高一级的目录），运行“ls –l”命令，看到Linux包含以下目录。
1．/bin
包含基本命令，如 ls、cp、mkdir等，这个目录中的文件都是可执行的。
2．/sbin
包含系统命令，如modprobe、hwclock、ifconfig等，大多是涉及系统管理的命令，这个目录中的文件都是可执行的。
3．/dev
设备文件存储目录，应用程序通过对这些文件的读写和控制就可以访问实际的设备。
4．/etc
系统配置文件的所在地，一些服务器的配置文件也在这里，如用户账号及密码配置文件。busybox的启动脚本也存放在该目录。
5．/lib
系统库文件存放目录，如LDD6410包含libc-2.6.1.so、libpthread-2.6.1.so、libthread_db-1.0.so等。
6．/mnt
/mnt这个目录一般是用于存放挂载储存设备的挂载目录的，比如有cdrom 等目录。可以参看/etc/fstab 的定义。有时我们可以把让系统开机自动挂载文件系统，把挂载点放在这里也是可以的。
7．/opt
opt 是“可选”的意思，有些软件包会被安装在这里，例如，在LDD6410的文件系统中，Qt/Embedded就存放在该目录。

8．/proc
操作系统运行时，进程及内核信息（比如CPU、硬盘分区、内存信息等）存放在这里。/proc目录为伪文件系统proc的挂载目录，proc并不是真正的文件系统，它存在于内存之中。
9．/tmp
有时用户运行程序的时候，会产生临时文件，/tmp就用来存放临时文件的。
10．/usr
这个是系统存放程序的目录，比如用户命令、用户库等。LDD6410的usr包括bin、sbin、lib三个子目录。usr/bin中包含diff、which、who、rx、cmp等，usr/sbin中包含chroot、flash_eraseall、inetd等，usr/lib中包含libjpeg.so.62.0.0等。
11．/var
var表示的是变化的意思，这个目录的内容经常变动，如/var 的/var/log 目录被用来存放系统日志。
12．/sys
Linux 2.6内核所支持的sysfs文件系统被映射在此目录。Linux设备驱动模型中的总线、驱动和设备都可以在sysfs 文件系统中找到对应的节点。当内核检测到在系统中出现了新设备后，内核会在sysfs文件系统中为该新设备生成一项新的记录。

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