linux 架构详解

Linux 是一种开源的操作系统内核，最初由 Linus Torvalds 于 1991 年创建。它是一个基于 Unix 的操作系统内核，用于构建完整的操作系统。Linux 架构是指 Linux 操作系统的内部结构和组成组件的工作方式。

整体架构

Linux系统通常被看作是一个层次化的结构，从上到下依次为用户空间、系统调用接口、内核空间。

1. 用户空间：这是用户应用程序执行的地方。用户空间中的程序通过系统调用接口与内核进行交互。
2. 系统调用接口：这是用户空间和内核空间之间的桥梁。用户程序通过系统调用接口请求内核提供的服务，如文件操作、进程管理等。
3. 内核空间：内核空间是Linux内核的所在地，负责管理系统资源、提供基本功能，并与硬件进行交互。

内核架构

• 核心功能：Linux 内核是操作系统的核心部分，负责管理硬件资源、提供硬件抽象层、调度进程以及处理系统调用。
• 模块化设计：Linux 内核采用模块化设计，允许动态加载和卸载驱动程序和其他功能模块，提高了灵活性和性能。
• 分层架构：内核分为多个层次，包括进程调度、内存管理、文件系统接口、网络堆栈等。

主要子系统

1. 进程管理：内核负责进程的创建、调度和终止。它使用基于优先级的进程调度算法来选择下一个要运行的进程，并确保所有进程都能公平地访问CPU资源。此外，内核还提供了进程间通信机制，如信号、管道、共享内存等，来支持进程之间的数据交换和同步。

   • 进程调度器：负责在所有并发运行的进程之间公平分配处理时间。
   • 进程间通信（IPC）：提供进程间的数据交换和同步机制。

2. 内存管理：Linux内核通过虚拟内存技术来管理内存资源。它将物理内存划分为多个内存页，并使用内存管理算法来动态调整内存使用。此外，内核还提供了对内存页的抽象和跟踪，以及页面交换机制来支持多个用户同时使用内存。

   • 内存管理单元（MMU）：负责内存地址的转换和内存保护。
   • 页面交换机制：将不常用的页面从内存中移出，并保存到磁盘上，以释放内存空间。

3. 设备驱动程序：设备驱动程序是内核的一部分，负责与硬件设备进行通信。它们提供了一组操作系统可理解的抽象接口，使得操作系统能够与硬件设备进行交互。设备驱动程序通常与硬件设备的控制芯片相关。

4. 文件系统：Linux内核支持多种文件系统类型，并通过虚拟文件系统（VFS）层提供了一个统一的接口来访问这些文件系统。VFS层隐藏了各种硬件的具体细节，并为上层应用提供了透明的文件系统操作。常见的文件系统类型包括Ext2、Ext4、Btrfs等。

   • 虚拟文件系统（VFS）：提供统一的文件系统接口，支持多种文件系统类型。
   • 具体的文件系统实现：如Ext4、Btrfs等，负责具体的文件存储和管理。

5. 网络接口：网络接口负责实现网络传输协议和与硬件设备的通信。Linux内核的网络部分由BSD套接字、网络协议层和网络设备驱动程序组成，支持多种网络标准和硬件设备。

   • 网络协议层：实现各种网络传输协议，如TCP/IP协议。
   • 网络设备驱动程序：负责与硬件设备通信，实现数据的发送和接收。

6. 安全机制：包括 SELinux 和 AppArmor 等安全框架。

用户空间架构

用户空间是用户应用程序执行的地方，包括各种应用程序、库文件和系统程序等。用户空间架构可以进一步细分为以下几个部分：

1. Shell：命令行解释器，如 Bash、Zsh 等，用于执行命令和脚本。
2. 应用程序：用户直接接触的部分，用于执行特定的任务或提供特定的功能。Linux系统上有大量的应用程序可供选择，包括文本编辑器、网络浏览器、媒体播放器等。
3. 库文件：提供基本功能和数据结构的集合，可供应用程序使用。常见的库文件包括C标准库、数学库、SSH、HTTPD、CROND等。
4. 系统程序：执行特定管理任务的实用程序，如文件和目录管理（cp、mv、rm等）、系统信息查看（ps、top等）、网络管理（ping、traceroute等）等。这些程序为用户提供了方便的工具来管理Linux系统。

引导过程

Linux 系统启动时经历了一系列步骤：

1. BIOS/UEFI：初始化硬件，并选择启动设备。
2. Boot Loader：如 GRUB 或 LILO，加载内核到内存中。
3. Kernel Initialization：内核初始化硬件和设备驱动，挂载根文件系统。
4. Init Process：第一个用户空间进程，通常是 systemd 或 sysvinit，负责启动其他服务和进程。

文件系统层次结构标准 (FHS)

Linux 文件系统遵循 FHS 标准，定义了文件和目录的标准布局：

• /bin: 基本命令和工具。
• /boot: 引导加载程序文件。
• /dev: 设备文件。
• /etc: 配置文件。
• /home: 用户主目录。
• /lib: 共享库。
• /media: 可移动媒体挂载点。
• /mnt: 临时挂载点。
• /opt: 第三方软件包。
• /proc: 虚拟文件系统，提供关于内核和进程的信息。
• /root: root 用户的主目录。
• /run: 运行时变量数据。
• /sbin: 系统二进制文件。
• /srv: 服务数据。
• /sys: 设备和内核信息。
• /tmp: 临时文件。
• /usr: 用户程序和文件。
• /var: 可变数据文件，如日志、缓存等。

权限模型

Linux 使用用户和组的概念来管理文件和目录的访问权限：

• 所有者 (Owner): 文件或目录的所有者。
• 组 (Group): 文件或目录所属的组。
• 其他人 (Others): 既不是所有者也不是组成员的用户。

每个文件或目录都有读、写和执行权限，可以通过 chmod 和 chown 命令进行设置。

进程管理

Linux 提供了强大的进程管理功能：

• 进程调度：根据不同的调度策略分配 CPU 时间。
• 进程间通信 (IPC)：包括信号、管道、共享内存等机制。
• 进程状态：如运行、睡眠、僵尸等状态。
• 调试工具：如 ps, top, htop, strace 等。

网络

Linux 内置了丰富的网络功能：

• 协议栈：支持 TCP/IP、UDP 等多种网络协议。
• 网络接口：管理物理网卡、虚拟网络接口等。
• 防火墙：如 iptables 和 nftables。
• 路由：配置静态和动态路由。

安全性

Linux 提供了多层安全机制：

• SELinux/AppArmor: 强制访问控制框架。
• 加密文件系统: 如 eCryptfs 和 EncFS。
• 审计: 如 auditd。
• 容器技术: 如 Docker 和 LXC，提供了隔离环境。

其他组件

除了上述核心组件外，Linux系统还包括一些其他重要的组件：

1. Shell：用户与Linux系统交互的命令行界面。用户可以通过Shell输入命令来运行程序、管理文件、查看系统状态等。常见的Shell类型包括Bourne Shell、Bash、Zsh等。Shell还提供了编程功能，允许用户编写Shell脚本来自动化任务。
2. 桌面环境：为用户提供图形用户界面（GUI），使得用户可以通过图形界面来操作和管理系统。常见的桌面环境包括GNOME、KDE等。桌面环境提供了丰富的图形界面元素和工具，使用户能够更加方便地使用Linux系统。
3. 发行版：Linux发行版是Linux内核和各种软件包、工具的集合，为用户提供了一个完整的操作系统环境。不同的发行版可能提供不同的界面、功能和软件包。常见的Linux发行版包括Ubuntu、Debian、Fedora等。

总结

综上所述，Linux系统的架构是一个层次化的结构，由用户空间、系统调用接口和内核空间组成。内核是Linux系统的核心，负责管理系统资源、提供基本功能，并与硬件进行交互。用户空间包括各种应用程序、库文件和系统程序等，为用户提供丰富的功能和体验。此外，Linux系统还包括Shell、桌面环境和发行版等其他重要组件。