如何学习Linux

　　作为现代操作系统的代表之一，Linux操作系统非常复杂，内部有多得令人眼花缭乱的各种组件在同步运行和相互通信。对于初学者来说，我认为理解操作系统工作原理最好的方法是利用抽象的思维去理解，也就是说，你可以暂时忽略大部分细节。就像坐车一样，通常你不会去在意车内固定发动机的装配螺栓，也不会关心你走的路是谁修筑的。如果你是一名乘客，可能只会关心如何打开或关闭车门、如何系好安全带以及车要把你带到哪儿去。如果你是一名司机，就需要了解更多的细节，比如如何控制油门、刹车和换挡，以及如何处理意外情况。如果你是一名维修工程师或汽车设计师，则需要更深入地了解汽车构造及其工作原理了。

 

 

　　我们试一下运用“抽象思维”来理解开车这件事情，首先我们可以将“一辆汽车在路上行驶”抽象为三个部分：汽车、道路和驾驶操作。这样一来，开车这件事情就简单多了，我们几乎只需要知道驾驶操作即可。如果道路颠簸，也不会去埋怨汽车本身和自己的驾驶技术，反而我们会问这条路为什么这么烂，而我们是不是一定要走这条路。同样，在软件开发过程中，开发人员通常不用太关心他们需要使用的组件的内部结构，他们只关心能使用哪些组件，以及这些组件该怎么用。跟汽车零部件一样，每一个组件都可能包含着复杂的技术细节，但我们可以暂时忽略这些细节，而专注于这些组件在系统中发挥的功能。实际上，抽象思维形成的这种“分层思想”无论在计算机技术还是其他社会生产活动中都是适用的。

Linux操作系统的层次

　　下面我们来看一下，通过抽象可以将系统分解为哪些组件，以及这些组件在用户和硬件系统之间所处的位置。
　　简单来说，Linux操作系统可以大体分为三层，如下图所示，最底层是硬件系统，包括CPU、内存、硬盘、网卡等；硬件系统之上是内核，这是操作系统的核心，内核负责管理硬件系统，同时为应用程序提供操作接口；用户进程在这里表示计算机中运行的所有程序，它们运行于用户空间，由内核统一管理。

 

 

　　内核和用户进程之间最大的区别在于：内核运行于内核模式（kernel mode，也称内核态），用户进程运行于用户模式（user mode，也称用户态）。在内核模式中运行的代码可以不受限制地访问中央处理器和内存，也就是说内核可以为所欲为，那这就非常危险了，因为内核进程可以轻而易举地使整个系统崩溃。所以为了提高系统稳定性，限制进程对中央处理器和内存的访问权限，提出了用户模式的概念。
　　一般我们将只有内核可以访问的空间称为内核空间，而将用户进程能够访问的空间称为用户空间。通过这种限制，即使某个用户进程运行时崩溃了，也不会对整个系统造成严重的影响。

内核模式和用户模式

　　实际上，内核模式和用户模式是需要处理器支持的。内核程序和用户程序的本质区别在于：除了可以执行大部分通用指令，内核程序还可以执行特权指令。说到计算机指令，就不得不提到RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集）和CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集），我们知道Intel的x86架构芯片采用的是CISC，而ARM架构芯片则采用RISC。也就是说，内核模式和用户模式之间的切换以及模式的实现依托于CPU指令集架构。
　　Intel的x86处理器通过Ring级别来进行访问控制，共分为4个级别，即Ring0~Ring3。Ring0层拥有的权限最高，Ring3层拥有的权限最低。按照Intel原来的设想，应用程序工作在Ring3层，只能访问Ring3层的空间；操作系统工作在Ring0层，可以访问所有层的空间；而其他驱动程序工作与Ring1和Ring2层，每一层只能访问本层和权限更低层的数据。这种设计可以有效保障操作系统的稳定性和安全性。但是现代操作系统，包括Windows和Linux都没有采用4层权限，只使用了Ring0和Ring3层，对应于内核空间和用户空间。因此，驱动一旦加载，就运行在Ring0层，拥有与操作系统内核一样的权限。
　　和x86架构不同，ARM没有Ring0~Ring3，也不存在Root模式和非Root模式。众所周知，ARM有7种工作模式，即usr（用户模式，User）、fiq（快速中断模式，FIQ）、irq（外部中断模式，IRQ）、svc（管理模式，Supervisor）、abt（数据访问中止模式，Abort）、und（未定义指令中止模式，Undef）和sys（系统模式，System）。除了用户模式以外的其他6种处理器模式都称为特权模式（Privileged Modes）。在特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式切换。
　　除此之外，还有在ARM v6中引入的Security Extensions带来的Monitor模式，以及在ARM v7中引入的Virtualization Extensions带来的Hyp模式。对于ARM v8架构则更为复杂一些，它定义了两种执行状态（Execution State），分别是AArch32状态和 AArch64状态。同时定义了4个异常等级（Exception Level）来进行权限控制，分别是EL0~EL3。对于AArch32，ARMv8定义了9种PE模式（也就是上面提到的9种工作模式）来确定执行权限，而不使用EL；而对于AArch64，则不支持PE模式。（更多关于处理器架构的信息，请查阅相关手册）。

内存的作用

　　除了CPU，内存可以说是是硬件系统中最为重要的部分。内存中存储的是0或1这样的比特数据，内核和进程也都是运行在内存里面的，它们在内存中就是一系列的比特数据集合，所有外围设备的数据输入和输出都通过内存完成。而CPU就像一个操作员一样处理内存中的数据，它从内存读取指令和数据，然后将运算结果写回内存。Linux内核几乎所有的操作都和内存有关，例如：将内存划分为很多区块，并且一直维护着这些区块的状态信息；每一个进程拥有自己的内存区块，并且由内核保证每个进程只使用它自己的内存区块。

Linux内核

　　Linux内核采用的是整体式结构（Monolithic），整个内核是一个单独的、非常大的程序，这样虽然能够使系统的各个部分直接沟通，提高系统相应速度，但与嵌入式系统存储容量小、资源有限的特点不相符合。因此，在嵌入式系统中经常采用的是另一种称为微内核（Microkernel）的体系结构，即内核本身只提供一些最基本的操作系统功能，如任务调度、内存管理、中断处理等，而类似于文件系统和网络协议等附加功能则运行在用户空间中，并且可以根据实际需要进行取舍。这样可以大大减小内核的体积，便于维护和移植。

 

 

　　对于Linux这样一个宏内核操作系统来说，一个完整的Linux内核主要由五个子系统组成：进程调度，内存管理，虚拟文件系统，网络接口，进程间通信。

进程调度（SCHED）控制进程对CPU的访问。当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选择最值得运行的进程。可运行进程实际上是仅等待CPU资源的进程，如果某个进程在等待其它资源，则该进程是不可运行进程。Linux使用了比较简单的基于优先级的进程调度算法选择新的进程。 内存管理（MM）允许多个进程安全的共享主内存区域。Linux 的内存管理支持虚拟内存，即在计算机中运行的程序，其代码，数据，堆栈的总量可以超过实际内存的大小，操作系统只是把当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则保留在磁盘中。必要时，操作系统负责在磁盘和内存间交换程序块。内存管理从逻辑上分为硬件无关部分和硬件有关部分。硬件无关部分提供了进程的映射和逻辑内存的对换；硬件相关的部分为内存管理硬件提供了虚拟接口。 虚拟文件系统（Virtual File System,VFS）隐藏了各种硬件的具体细节，为所有的设备提供了统一的接口，VFS提供了多达数十种不同的文件系统。虚拟文件系统可以分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指Linux所支持的文件系统，如ext2,fat等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。 网络接口（NET）提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。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讯，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。 进程间通讯（IPC）支持进程间各种通信机制。进程间通信主要用于控制不同进程之间在用户空间的同步、数据共享和交换。由于不用的用户进程拥有不同的进程空间，因此进程间的通信要借助于内核的中转来实现。一般情况下，当一个进程等待硬件操作完成时，会被挂起；当硬件操作完成，进程被恢复执行，而协调这个过程的就是进程间的通信机制。

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　　Linux内核子系统的结构如下图所示，处于中心位置的进程调度，所有其它的子系统都依赖它，因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。一般情况下，当一个进程等待硬件操作完成时，它被挂起；当操作真正完成时，进程被恢复执行。例如，当一个进程通过网络发送一条消息时，网络接口需要挂起发送进程，直到硬件成功成功地完成消息的发送，当消息被成功的发送出去以后，网络接口给进程返回一个代码，表示操作的成功或失败。其他子系统以相似的理由依赖于进程调度。

 

 

 

　　各个子系统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唯一原因。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过程。例如：分配和释放内存空间的过程，打印警告或错误信息的过程，还有系统的调试例程等等。

内核管理的四个方面

进程管理

内存管理

设备驱动程序和设备管理

系统调用和系统支持

用户空间