作為現代操作系統(tǒng)的代表之一，Linux操作系統(tǒng)非常復雜，內部有多得令人眼花繚亂的各種組件在同步運行和相互通信。對于初學者來說，我認為理解操作系統(tǒng)工作原理最好的方法是利用抽象的思維去理解，也就是說，你可以暫時忽略大部分細節(jié)。就像坐車一樣，通常你不會去在意車內固定發(fā)動機的裝配螺栓，也不會關心你走的路是誰修筑的。如果你是一名乘客，可能只會關心如何打開或關閉車門、如何系好安全帶以及車要把你帶到哪兒去。如果你是一名司機，就需要了解更多的細節(jié)，比如如何控制油門、剎車和換擋，以及如何處理意外情況。如果你是一名維修工程師或汽車設計師，則需要更深入地了解汽車構造及其工作原理了。

我們試一下運用“抽象思維”來理解開車這件事情，首先我們可以將“一輛汽車在路上行駛”抽象為三個部分：汽車、道路和駕駛操作。這樣一來，開車這件事情就簡單多了，我們幾乎只需要知道駕駛操作即可。如果道路顛簸，也不會去埋怨汽車本身和自己的駕駛技術，反而我們會問這條路為什么這么爛，而我們是不是一定要走這條路。同樣，在軟件開發(fā)過程中，開發(fā)人員通常不用太關心他們需要使用的組件的內部結構，他們只關心能使用哪些組件，以及這些組件該怎么用。跟汽車零部件一樣，每一個組件都可能包含著復雜的技術細節(jié)，但我們可以暫時忽略這些細節(jié)，而專注于這些組件在系統(tǒng)中發(fā)揮的功能。實際上，抽象思維形成的這種“分層思想”無論在計算機技術還是其他社會生產活動中都是適用的。

Linux操作系統(tǒng)的層次

下面我們來看一下，通過抽象可以將系統(tǒng)分解為哪些組件，以及這些組件在用戶和硬件系統(tǒng)之間所處的位置。

簡單來說，Linux操作系統(tǒng)可以大體分為三層，如下圖所示，最底層是硬件系統(tǒng)，包括CPU、內存、硬盤、網卡等；硬件系統(tǒng)之上是內核，這是操作系統(tǒng)的核心，內核負責管理硬件系統(tǒng)，同時為應用程序提供操作接口；用戶進程在這里表示計算機中運行的所有程序，它們運行于用戶空間，由內核統(tǒng)一管理。

內核和用戶進程之間最大的區(qū)別在于：內核運行于內核模式（kernel mode，也稱內核態(tài)），用戶進程運行于用戶模式（user mode，也稱用戶態(tài)）。在內核模式中運行的代碼可以不受限制地訪問中央處理器和內存，也就是說內核可以為所欲為，那這就非常危險了，因為內核進程可以輕而易舉地使整個系統(tǒng)崩潰。所以為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，限制進程對中央處理器和內存的訪問權限，提出了用戶模式的概念。

一般我們將只有內核可以訪問的空間稱為內核空間，而將用戶進程能夠訪問的空間稱為用戶空間。通過這種限制，即使某個用戶進程運行時崩潰了，也不會對整個系統(tǒng)造成嚴重的影響。

內核模式和用戶模式

實際上，內核模式和用戶模式是需要處理器支持的。內核程序和用戶程序的本質區(qū)別在于：除了可以執(zhí)行大部分通用指令，內核程序還可以執(zhí)行特權指令。說到計算機指令，就不得不提到RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集）和CISC（Complex Instruction Set Computer，復雜指令集），我們知道Intel的x86架構芯片采用的是CISC，而ARM架構芯片則采用RISC。也就是說，內核模式和用戶模式之間的切換以及模式的實現依托于CPU指令集架構。

Intel的x86處理器通過Ring級別來進行訪問控制，共分為4個級別，即Ring0~Ring3。Ring0層擁有的權限最高，Ring3層擁有的權限最低。按照Intel原來的設想，應用程序工作在Ring3層，只能訪問Ring3層的空間；操作系統(tǒng)工作在Ring0層，可以訪問所有層的空間；而其他驅動程序工作與Ring1和Ring2層，每一層只能訪問本層和權限更低層的數據。這種設計可以有效保障操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。但是現代操作系統(tǒng)，包括Windows和Linux都沒有采用4層權限，只使用了Ring0和Ring3層，對應于內核空間和用戶空間。因此，驅動一旦加載，就運行在Ring0層，擁有與操作系統(tǒng)內核一樣的權限。

和x86架構不同，ARM沒有Ring0~Ring3，也不存在Root模式和非Root模式。眾所周知，ARM有7種工作模式，即usr（用戶模式，User）、fiq（快速中斷模式，FIQ）、irq（外部中斷模式，IRQ）、svc（管理模式，Supervisor）、abt（數據訪問中止模式，Abort）、und（未定義指令中止模式，Undef）和sys（系統(tǒng)模式，System）。除了用戶模式以外的其他6種處理器模式都稱為特權模式（Privileged Modes）。在特權模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地進行處理器模式切換。

除此之外，還有在ARM v6中引入的Security Extensions帶來的Monitor模式，以及在ARM v7中引入的Virtualization Extensions帶來的Hyp模式。對于ARM v8架構則更為復雜一些，它定義了兩種執(zhí)行狀態(tài)（Execution State），分別是AArch32狀態(tài)和 AArch64狀態(tài)。同時定義了4個異常等級（Exception Level）來進行權限控制，分別是EL0~EL3。對于AArch32，ARMv8定義了9種PE模式（也就是上面提到的9種工作模式）來確定執(zhí)行權限，而不使用EL；而對于AArch64，則不支持PE模式。（更多關于處理器架構的信息，請查閱相關手冊）。

內存的作用

除了CPU，內存可以說是是硬件系統(tǒng)中最為重要的部分。內存中存儲的是0或1這樣的比特數據，內核和進程也都是運行在內存里面的，它們在內存中就是一系列的比特數據集合，所有外圍設備的數據輸入和輸出都通過內存完成。而CPU就像一個操作員一樣處理內存中的數據，它從內存讀取指令和數據，然后將運算結果寫回內存。Linux內核幾乎所有的操作都和內存有關，例如：將內存劃分為很多區(qū)塊，并且一直維護著這些區(qū)塊的狀態(tài)信息；每一個進程擁有自己的內存區(qū)塊，并且由內核保證每個進程只使用它自己的內存區(qū)塊。

Linux內核

Linux內核采用的是整體式結構（Monolithic），整個內核是一個單獨的、非常大的程序，這樣雖然能夠使系統(tǒng)的各個部分直接溝通，提高系統(tǒng)相應速度，但與嵌入式系統(tǒng)存儲容量小、資源有限的特點不相符合。因此，在嵌入式系統(tǒng)中經常采用的是另一種稱為微內核（Microkernel）的體系結構，即內核本身只提供一些最基本的操作系統(tǒng)功能，如任務調度、內存管理、中斷處理等，而類似于文件系統(tǒng)和網絡協(xié)議等附加功能則運行在用戶空間中，并且可以根據實際需要進行取舍。這樣可以大大減小內核的體積，便于維護和移植。

對于Linux這樣一個宏內核操作系統(tǒng)來說，一個完整的Linux內核主要由五個子系統(tǒng)組成：進程調度，內存管理，虛擬文件系統(tǒng)，網絡接口，進程間通信。

·進程調度（SCHED）控制進程對CPU的訪問。當需要選擇下一個進程運行時，由調度程序選擇最值得運行的進程。可運行進程實際上是僅等待CPU資源的進程，如果某個進程在等待其它資源，則該進程是不可運行進程。Linux使用了比較簡單的基于優(yōu)先級的進程調度算法選擇新的進程。

·內存管理（MM）允許多個進程安全的共享主內存區(qū)域。Linux 的內存管理支持虛擬內存，即在計算機中運行的程序，其代碼，數據，堆棧的總量可以超過實際內存的大小，操作系統(tǒng)只是把當前使用的程序塊保留在內存中，其余的程序塊則保留在磁盤中。必要時，操作系統(tǒng)負責在磁盤和內存間交換程序塊。內存管理從邏輯上分為硬件無關部分和硬件有關部分。硬件無關部分提供了進程的映射和邏輯內存的對換；硬件相關的部分為內存管理硬件提供了虛擬接口。

·虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System,VFS）隱藏了各種硬件的具體細節(jié)，為所有的設備提供了統(tǒng)一的接口，VFS提供了多達數十種不同的文件系統(tǒng)。虛擬文件系統(tǒng)可以分為邏輯文件系統(tǒng)和設備驅動程序。邏輯文件系統(tǒng)指Linux所支持的文件系統(tǒng)，如ext2,fat等，設備驅動程序指為每一種硬件控制器所編寫的設備驅動程序模塊。

·網絡接口（NET）提供了對各種網絡標準的存取和各種網絡硬件的支持。網絡接口可分為網絡協(xié)議和網絡驅動程序。網絡協(xié)議部分負責實現每一種可能的網絡傳輸協(xié)議。網絡設備驅動程序負責與硬件設備通訊，每一種可能的硬件設備都有相應的設備驅動程序。

·進程間通訊（IPC）支持進程間各種通信機制。進程間通信主要用于控制不同進程之間在用戶空間的同步、數據共享和交換。由于不用的用戶進程擁有不同的進程空間，因此進程間的通信要借助于內核的中轉來實現。一般情況下，當一個進程等待硬件操作完成時，會被掛起；當硬件操作完成，進程被恢復執(zhí)行，而協(xié)調這個過程的就是進程間的通信機制。

Linux內核子系統(tǒng)的結構如下圖所示，處于中心位置的進程調度，所有其它的子系統(tǒng)都依賴它，因為每個子系統(tǒng)都需要掛起或恢復進程。一般情況下，當一個進程等待硬件操作完成時，它被掛起；當操作真正完成時，進程被恢復執(zhí)行。例如，當一個進程通過網絡發(fā)送一條消息時，網絡接口需要掛起發(fā)送進程，直到硬件成功成功地完成消息的發(fā)送，當消息被成功的發(fā)送出去以后，網絡接口給進程返回一個代碼，表示操作的成功或失敗。其他子系統(tǒng)以相似的理由依賴于進程調度。

各個子系統(tǒng)之間的依賴關系如下：進程調度與內存管理之間的關系：這兩個子系統(tǒng)互相依賴。在多道程序環(huán)境下，程序要運行必須為之創(chuàng)建進程，而創(chuàng)建進程的第一件事情，就是將程序和數據裝入內存。

進程間通信與內存管理的關系：進程間通信子系統(tǒng)要依賴內存管理支持共享內存通信機制，這種機制允許兩個進程除了擁有自己的私有空間，還可以存取共同的內存區(qū)域。

虛擬文件系統(tǒng)與網絡接口之間的關系：虛擬文件系統(tǒng)利用網絡接口支持網絡文件系統(tǒng)(NFS),也利用內存管理支持RAMDISK設備。

內存管理與虛擬文件系統(tǒng)之間的關系：內存管理利用虛擬文件系統(tǒng)支持交換，交換進程(swapd)定期由調度程序調度，這也是內存管理依賴于進程調度的唯一原因。當一個進程存取的內存映射被換出時，內存管理向文件系統(tǒng)發(fā)出請求，同時，掛起當前正在運行的進程。

除了這些依賴關系外，內核中的所有子系統(tǒng)還要依賴于一些共同的資源。這些資源包括所有子系統(tǒng)都用到的過程。例如：分配和釋放內存空間的過程，打印警告或錯誤信息的過程，還有系統(tǒng)的調試例程等等。

內核管理的四個方面

Linux內核負責管理以下四個方面：

·進程：內核決定哪個進程可以使用CPU。

·內存：內核管理所有的內存，為進程分配內存，管理進程間的共享內存以及空閑內存。

·設備驅動程序：作為硬件系統(tǒng)（如磁盤）和進程之間的接口，內核負責操控硬件設備。

·系統(tǒng)調用和支持：進程通常使用系統(tǒng)調用和內核進行通信。

進程管理

進程管理設計進程的啟動、暫停、恢復和終止。啟動和終止比較直觀，但是要解釋清楚進程在執(zhí)行過程中如何使用CPU則相對復雜一些。

在現代操作系統(tǒng)中，很多進程貌似都是同時運行的。例如，你可以同時在桌面打開Web瀏覽器和電子表格應用程序。然而，雖然它們表面上看是同時運行，但實際上這些應用程序背后的進程并不完全是同時運行的。

我們設想一下，在只有一個CPU的計算機系統(tǒng)中，可能會有很多進程可以使用CPU，但是在任何一個特定的時間段內只能有一個進程可以使用CPU。所以實際上是多個進程輪流使用CPU，每個進程使用一段時間后就暫停，然后讓另一個進程使用，依次輪流，時間單位是毫秒級。一個進程讓出CPU使用權給另一個進程稱為上下文切換（context switch）。

進程在其時間段內有足夠的時間完成主要的計算工作（實際上，進程通常在單個時間段內就能完成它的工作）。由于時間段非常短，短到我們根本察覺不到，所以在我們看來，系統(tǒng)是在同時運行多個進程（我們稱之為多任務執(zhí)行）。

內核負責上下文切換。我們來看看下面的場景，以便理解它的工作原理。

（1）CPU為每個進程計時，到時即停止進程，并切換至內核模式，由內核接管CPU控制權。（2）內核記錄下當前CPU和內存的狀態(tài)信息，這些信息在恢復被停止的進程時需要用到。（3）內核執(zhí)行上一個時間段內的任務（如從輸入輸出設備獲得數據，磁盤讀寫操作等）。（4）內核準備執(zhí)行下一個進程，從準備就緒的進程中選擇一個執(zhí)行。（5）內核為新進程準備CPU和內存。（6）內核將新進程執(zhí)行的時間段通知CPU。（7）內核將CPU切換至用戶模式，將CPU控制權交給新進程。

上下文切換回答了一個十分重要的問題，即內核是在什么時候運行的。答案就是：內核是在上下文切換時的時間段間隙中運行的。

在多CPU系統(tǒng)中，情況要稍微復雜一些。如果新進程將在另一個CPU上運行，內核就不需要讓出當前CPU的使用權。不過為了將所有CPU的使用效率最大化，內核會使用一些其他的方式來獲取CPU控制權。

內存管理

內核在上下文切換過程中管理內存，這是一項十分復雜的工作，因為內核要保證以下所有條件：

（1）內核需要自己的專有內存空間，其他的用戶進程無法訪問；（2）每個用戶進程有自己的專有內存空間；（3）一個進程不能訪問另一個進程的專有內存空間；（4）用戶進程之間可以共享內存；（5）用戶進程的某些內存空間可以是只讀的；（6）通過使用磁盤交換，系統(tǒng)可以使用比實際內存容量更多的內存空間。

新型的CPU提供MMU（Memory Management Unit，內存管理單元），MMU使用了一種叫作虛擬內存的內存訪問機制，即進程不是直接訪問內存的實際物理地址，而是通過內核使得進程看起來可以使用整個系統(tǒng)的內存。當進程訪問內存的時候，MMU截獲訪問請求，然后通過內存映射表（或稱為內存頁面表,page table）將要訪問的內存地址轉換為實際的物理地址。內核需要初始化、維護和更新這個地址映射表。例如，在上下文切換時，內核將內存映射表從被移出進程轉給被移入進程使用。

設備驅動程序和設備管理

對于設備來說，內核的角色比較簡單。通常設備只能在內核模式中被訪問（例如用戶進程請求內核關閉系統(tǒng)電源），因為設備訪問不當有可能會讓系統(tǒng)崩潰。另一個原因是不同設備之間沒有一個統(tǒng)一的編程接口，即使同類設備也是如此（比如兩個不同的網卡）。所以設備驅動程序傳統(tǒng)意義上來說是內核的一部分，它們盡可能為用戶進程提供統(tǒng)一的接口，以簡化開發(fā)人員的工作。

系統(tǒng)調用和系統(tǒng)支持

內核還對用戶進程提供其他功能。例如，系統(tǒng)調用（system call或syscall）為進程執(zhí)行一些它們不擅長或無法完成的工作。打開、讀取和寫文件這些操作都涉及系統(tǒng)調用。

fork()和exec()這兩個系統(tǒng)調用對于我們了解進程如何啟動很重要。

（1）fork()：當進程調用fork()時，內核創(chuàng)建一個和該進程幾乎一模一樣的副本。（2）exec()：當進程調用exec(program)時，內核啟動program來替換當前的進程。

除了init以外，Linux中的所有用戶進程都是通過fork()來啟動的。除了創(chuàng)建現有進程的副本以外，大多數情況下你還可以使用exec()來啟動新的進程。一個簡單的例子是你在命令行運行l(wèi)s命令來顯示目錄內容。當你在終端窗口中輸入ls時，終端窗口中的shell調用fork()創(chuàng)建一個shell的副本，然后該副本調用exec(ls)來運行l(wèi)s。

除了傳統(tǒng)的系統(tǒng)調用，內核還為用戶進程提供其他很多功能，最為常見的是虛擬設備。虛擬設備對于用戶進程而言是物理設備，但其實它們都是通過軟件實現的。因此從技術角度來說，它們并不需要存在于內核中，但是實際上它們很多都存在于內核中。例如：內核的隨機數生成器（/dev/random）這樣的虛擬設備，如果由用戶進程來實現，難度要大很多。

用戶空間

前面提到過，內核分配給用戶進程的內存我們稱之為用戶空間。因為一個進程簡單來說就是內存中的一個狀態(tài)。（用戶空間也可以指所有用戶進程占用的所有內存）

Linux中大部分的操作都發(fā)生在用戶空間中。雖然從內核的角度來說所有進程都是一樣的，但是實際上它們執(zhí)行的是不同的任務。相對于系統(tǒng)組件，用戶進程位于一個基礎服務層中。底層的基礎服務層中提供了上層應用程序所需的工具服務（也稱為中間件），比如郵件、打印和數據庫服務。頂層組件則可專注于完成用戶交互和復雜的功能。當然，組件之間也是可以相互調用的。

雖然這里提到底層、頂層、中間層等概念，但實際上它們在用戶空間里并沒有明顯的界限。其實很多用戶空間的組件也比較難分類，比如Web服務器和數據庫，你可以把它們歸為上層組件，也可以歸為中間層組件。

另外，從技術上來說，用戶進程還是需要通過使用系統(tǒng)調用打開設備的方式來訪問虛擬設備，所以進程總是避免不了要和系統(tǒng)調用打交道。