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Linux内核是一个高度模块化的系统，其核心功能通常被划分为以下五大模块，共同协作实现操作系统的基础功能：
1. 进程管理（Process Management）
- 核心功能：负责进程的创建、调度、终止，以及进程间通信（IPC）。
- 关键机制：
- 进程调度：通过调度算法（如CFS完全公平调度器）分配CPU时间片。
- 多任务：支持并发执行（时间片轮转）与并行执行（多核CPU）。
- 同步机制：信号量、互斥锁、管道等，避免资源竞争。
- 示例：
fork()创建子进程，sched_yield()主动让出CPU。
2. 内存管理（Memory Management）
- 核心功能：管理物理内存和虚拟内存，实现高效分配与保护。
- 关键机制：
- 虚拟内存：通过分页（Paging）和分段（Segmentation）隔离进程内存空间。
- 页面置换：使用LRU等算法处理缺页中断（Page Fault）。
- 内存映射：将文件或设备映射到进程地址空间（如
mmap()）。
- 示例：
malloc()申请用户态内存时，内核通过brk或mmap分配物理页。
3. 文件系统（File System）
- 核心功能：管理磁盘数据的存储、组织和访问。
- 关键机制：
- 虚拟文件系统（VFS）：抽象统一接口，支持多种文件系统（ext4、NTFS等）。
- 缓存机制：通过Page Cache和Buffer Cache加速文件读写。
- 权限控制：基于用户/组权限（如
chmod）和访问控制列表（ACL）。
- 示例：
open()打开文件时，内核通过VFS解析路径并加载inode。
4. 设备驱动（Device Drivers）
- 核心功能：为硬件设备（如磁盘、网卡）提供统一的访问接口。
- 关键机制：
- 设备分类：字符设备（如键盘）、块设备（如SSD）、网络设备（如网卡）。
- 中断处理：响应硬件中断（如数据到达），触发内核处理程序。
- DMA传输：直接内存访问减少CPU占用。
- 示例：网卡驱动接收数据包后，通过中断通知内核将数据存入Socket缓冲区。
5. 网络模块（Networking Stack）
- 核心功能：实现网络协议栈，支持数据包的收发与路由。
- 关键机制：
- 协议栈：TCP/IP协议族（如IP层路由、TCP连接管理）。
- Socket接口：用户程序通过
send()/recv()与网络交互。 - 包过滤：Netfilter框架支持防火墙（如iptables）和NAT。
- 示例：
ping命令触发ICMP协议包发送，内核处理包的封装与解析。
模块间的协作关系
- 进程 ↔ 内存：进程申请内存时，内存管理模块分配物理页或触发换页。
- 文件系统 ↔ 设备驱动：读写文件时，文件系统调用磁盘驱动操作硬件。
- 网络 ↔ 设备驱动：网卡驱动将数据包传递给网络协议栈处理。
设计特点
- 模块化：各模块独立开发，通过接口交互（如VFS抽象文件系统）。
- 可扩展性：支持动态加载驱动模块（如
insmod加载新硬件驱动）。 - 性能优化：通过零拷贝（Zero-Copy）、异步I/O（epoll）减少上下文切换。
这五大模块共同构建了Linux内核的核心功能，支撑了从嵌入式设备到超级计算机的多样化场景。