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B站相应的视屏教程
📌 Day 5:深入理解 Linux 内核结构



Linux 内核作为一个复杂的操作系统内核,其源代码规模庞大、模块众多,初学者容易迷失在文件与概念之中。为了更高效、系统地理解 Linux 内核的整体架构,我们将采用一个 四层模型,从宏观到微观地解析内核结构,帮助你建立清晰的认知框架。


一、为什么要了解内核结构?

  • 编写驱动需要了解子系统的调用链
  • 调试问题时需要准确定位模块位置
  • 内核移植与裁剪依赖整体结构感知
  • 应对高质量面试需具备宏观系统视角

掌握内核结构,是从“会用”到“精通”的关键一步。


二、推荐的四层内核结构理解模型

层级逻辑名称功能描述对应源码路径示例
1核心层(Kernel Core)提供基本能力:调度、内存管理、系统调用、锁等kernel/mm/ipc/lib/kernel/sched/(调度)、mm/memory.c(内存)
2子系统层(Subsystem)网络、文件系统、图形、音频等大功能模块net/fs/sound/drivers/gpu/net/core/fs/ext4/
3驱动层(Device Drivers)与具体硬件设备交互,完成设备初始化、控制drivers/ 各模块目录drivers/gpu/imx/lcdif/
4架构层(Architecture)适配不同 CPU 平台,提供启动、中断、MMU 支持arch/arm64/arch/x86/arch/arm64/kernel/head.S

✅ 此模型具有层次分明、逻辑清晰、与源码结构高度一致的优点,建议背熟掌握。


在这里插入图片描述

三、逐层详解内核结构

1. 核心层(Kernel Core)

这是 Linux 内核的“中枢神经系统”,为所有模块提供基础能力:

  • 进程调度(Scheduler):决定哪个进程何时运行。位于 kernel/sched/
  • 内存管理(MM):负责页表、分配器、内存回收,路径 mm/
  • 系统调用(Syscall):提供用户态与内核态之间的接口,位于 kernel/arch/xxx/
  • 锁机制(Spinlock、Mutex 等):实现并发控制,路径 kernel/locking/
  • 基础库函数(Lib):路径 lib/,比如字符串处理、数据结构操作等

📌 示例:mm/memory.c 处理页的分配与回收,是理解物理内存管理的核心文件。


2. 子系统层(Subsystem)

子系统是内核中提供完整功能的一类模块,如:

  • 文件系统(VFS & 具体实现):虚拟文件系统接口 + ext4/fat 等,路径 fs/
  • 网络子系统:分层清晰,包括 socket 层、协议栈(TCP/IP)等,路径 net/
  • 图形系统(DRM/KMS):路径 drivers/gpu/,如 i.MX 的 LCDIF 子模块
  • 声音系统(ALSA):路径 sound/
  • 安全子系统(LSM、SELinux):路径 security/

📌 示例:fs/ext4/ 是 ext4 文件系统实现,对应 ext4 格式分区的挂载与管理。


3. 驱动层(Device Drivers)

驱动层是 Linux 内核最贴近硬件的一层,种类繁多,包括:

  • 字符设备驱动、块设备驱动、网络设备驱动
  • 各类总线控制器:I2C、SPI、USB、PCI、MMC 等
  • 图形、摄像头、声卡、显示器、WiFi 等具体设备驱动

路径统一在 drivers/ 下,按类型再细分目录。

📌 示例:drivers/gpu/imx/lcdif/ 是 NXP 平台的 LCD 控制器驱动,提供 framebuffer 输出、时序设置、格式配置等。


4. 架构层(Architecture)

这一层用于支持不同的 CPU 架构,包括:

  • 启动流程、汇编入口、异常中断向量表
  • MMU 映射、页表初始化
  • 中断控制器、定时器初始化等

路径:arch/arm64/arch/x86/arch/riscv/

📌 示例:arch/arm64/kernel/head.S 是 ARM64 架构下的汇编启动入口。

此外还有:

  • arch/arm64/boot/ 包含启动镜像格式代码
  • arch/arm64/mm/ 包含页表、内存区域初始化

四、与平台设备驱动关系

平台设备驱动(platform_driver)典型地处于 驱动层子系统层 之间:

  • 驱动层负责注册 platform_driver
  • 设备树中定义设备节点,内核自动构造 platform_device
  • 匹配后调用 probe() 绑定资源(寄存器、clock、irq)

这体现出 Linux 内核模块之间解耦、自动注册、可扩展的架构设计理念。


五、从源码层面认识结构

Linux 内核源码的顶层目录结构本身也反映了这种分层思想:

linux/
├── arch/           # 架构层
├── drivers/        # 驱动层
├── fs/             # 子系统:文件系统
├── net/            # 子系统:网络协议栈
├── sound/          # 子系统:音频
├── kernel/         # 核心层:调度、信号、fork
├── mm/             # 核心层:内存管理
├── lib/            # 核心层:内核库函数

六、该如何深入学习内核结构?

  1. 搭配源码阅读工具:如 LXR、cscope、VSCode + ctags
  2. 参考文档:如 Kernel Doc 官网、LWN、Kernel Newbies
  3. 动手实验驱动开发:从 platform_driver、字符设备驱动开始
  4. 分析子系统工作流:如从用户态写文件,到文件系统层、页缓存、块层的调用栈
  5. 掌握构建系统:了解 KconfigMakefile,理解编译组织结构

七、面试应答建议

当被问到“如何理解 Linux 内核的组成”时,可以回答:

“Linux 内核结构可以从逻辑上分为四层:核心层、子系统层、驱动层、架构层。核心层提供调度、内存、系统调用等基本能力;子系统提供完整功能模块如文件系统、网络协议;驱动层与硬件交互;架构层负责适配不同平台。这种结构清晰、分工明确,也与内核源码目录高度一致。”


八、总结

理解内核结构,是深入 Linux 世界的“第一道门槛”。你不必一开始就掌握每一层的细节,但必须清楚它们的存在与责任划分。

🌱 牢记:只有站得高,才能看得清。


下一篇 Day 6,将继续探索 Linux 内核中某个关键子系统(如设备模型、内存页回收、进程状态转换等),敬请期待。

http://www.dtcms.com/a/450454.html

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