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《图解Linux内核（基于6.x）》
一、前言
本文是 Linux 内核源码分析系列的专业，会以内核的核心功能为出发点，描述 Linux 内核的整体架构，以及架构之下主要的软件子系统。之后，会介绍 Linux 内核源文件的目录结构，并和各个软件子系统对应。
二、Linux内核的核心功能
如下图所示，Linux 内核只是 Linux 操作系统一部分：
对下，它管理系统的所有硬件设备；
对上，它通过系统调用，向 Library Routine（例如 C 库）或者其它应用程序提供接口；
因此，其核心功能就是：
管理硬件设备
供应用程序使用
而现代计算机（无论是PC还是嵌入式系统）的标准组成，就是 CPU、Memory（内存和外存）、输入输出设备、网络设备和其它的外围设备。所以为了管理这些设备，Linux 内核提出了如下的架构。
三、Linux内核的整体架构
3.1 整体架构和子系统划分
上图说明了 Linux 内核的整体架构。根据内核的核心功能，Linux 内核提出了 5 个子系统，分别负责如下的功能：
Process Scheduler：
也称作进程管理、进程调度。
负责管理 CPU 资源，以便让各个进程可以以尽量公平的方式访问 CPU。
Memory Manager：
内存管理。
负责管理 Memory（内存）资源，以便让各个进程可以安全地共享机器的内存资源。
另外，内存管理会提供虚拟内存的机制，该机制可以让进程使用多于系统可用Memory的内存，不用的内存会通过文件系统保存在外部非易失存储器中，需要使用的时候，再取回到内存中。
VFS（Virtual File System）：
虚拟文件系统。
Linux内核将不同功能的外部设备，例如 Disk 设备（硬盘、磁盘、NAND Flash、Nor Flash 等）、输入输出设备、显示设备等等，抽象为可以通过统一的文件操作接口（open、close、read、write 等）来访问。
这就是 Linux 系统“一切皆是文件”的体现（其实Linux做的并不彻底，因为 CPU、内存、网络等还不是文件，如果真的需要一切皆是文件，还得看贝尔实验室正在开发的"Plan 9”的）。
Network：
网络子系统。
负责管理系统的网络设备，并实现多种多样的网络标准。
IPC（Inter-Process Communication）：
进程间通信。
IPC 不管理任何的硬件，它主要负责 Linux 系统中进程之间的通信。
3.2 进程调度（Process Scheduler)
进程调度是 Linux 内核中最重要的子系统，它主要提供对 CPU 的访问控制。因为在计算机中，CPU 资源是有限的，而众多的应用程序都要使用 CPU 资源，所以需要“进程调度子系统”对 CPU 进行调度管理。
进程调度子系统包括4个子模块（见下图），它们的功能如下：
Scheduling Policy：
实现进程调度的策略，它决定哪个（或哪几个）进程将拥有CPU。
Architecture-specific Schedulers：
体系结构相关的部分，用于将对不同CPU的控制，抽象为统一的接口。
这些控制主要在suspend和resume进程时使用，牵涉到CPU的寄存器访问、汇编指令操作等。
Architecture-independent Scheduler：
体系结构无关的部分。
它会和“Scheduling Policy模块”沟通，决定接下来要执行哪个进程，然后通过“Architecture-specific Schedulers模块”resume指定的进程。
System Call Interface：
系统调用接口。
进程调度子系统通过系统调用接口，将需要提供给用户空间的接口开放出去，同时屏蔽掉不需要用户空间程序关心的细节。
3.3 内存管理（Memory Manager, MM)
内存管理同样是 Linux 内核中最重要的子系统，它主要提供对内存资源的访问控制。Linux 系统会在硬件物理内存和进程所使用的内存（称作虚拟内存）之间建立一种映射关系，这种映射是以进程为单位，因而不同的进程可以使用相同的虚拟内存，而这些相同的虚拟内存，可以映射到不同的物理内存上。
内存管理子系统包括 3 个子模块（见下图），它们的功能如下：
Architecture Specific Managers：
体系结构相关部分。
提供用于访问硬件Memory的虚拟接口。
Architecture Independent Manager：
体系结构无关部分。
提供所有的内存管理机制，包括：
以进程为单位的memory mapping；
虚拟内存的Swapping。
System Call Interface：
系统调用接口。
通过该接口，向用户空间程序应用程序提供内存的分配、释放，文件的map等功能。
3.4 虚拟文件系统（Virtual Filesystem, VFS）
传统意义上的文件系统，是一种存储和组织计算机数据的方法。它用易懂、人性化的方法（文件和目录结构），抽象计算机磁盘、硬盘等设备上冰冷的数据块，从而使对它们的查找和访问变得容易。因而文件系统的实质，就是“存储和组织数据的方法”，文件系统的表现形式，就是“从某个设备中读取数据和向某个设备写入数据”。
随着计算机技术的进步，存储和组织数据的方法也是在不断进步的，从而导致有多种类型的文件系统，例如 FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3 等等。而为了兼容，操作系统或者内核，要以相同的表现形式，同时支持多种类型的文件系统，这就延伸出了虚拟文件系统（VFS）的概念。VFS 的功能就是管理各种各样的文件系统，屏蔽它们的差异，以统一的方式，为用户程序提供访问文件的接口。
我们可以从磁盘、硬盘、NAND Flash 等设备中读取或写入数据，因而最初的文件系统都是构建在这些设备之上的。这个概念也可以推广到其它的硬件设备，例如内存、显示器（LCD）、键盘、串口等等。我们对硬件设备的访问控制，也可以归纳为读取或者写入数据，因而可以用统一的文件操作接口访问。Linux 内核就是这样做的，除了传统的磁盘文件系统之外，它还抽象出了设备文件系统、内存文件系统等等。这些逻辑，都是由 VFS 子系统实现。
VFS 子系统包括 6 个子模块（见下图），它们的功能如下：
Device Drivers：
设备驱动，用于控制所有的外部设备及控制器。
由于存在大量不能相互兼容的硬件设备（特别是嵌入式产品），所以也有非常多的设备驱动。
因此，Linux内核中将近一半的Source Code都是设备驱动，大多数的Linux底层工程师（特别是国内的企业）都是在编写或者维护设备驱动，而无暇估计其它内容（它们恰恰是Linux内核的精髓所在）。
Device Independent Interface：
该模块定义了描述硬件设备的统一方式（统一设备模型），所有的设备驱动都遵守这个定义，可以降低开发的难度。
同时可以用一致的形势向上提供接口。
Logical Systems：
每一种文件系统，都会对应一个Logical System（逻辑文件系统），它会实现具体的文件系统逻辑。
System Independent Interface：
该模块负责以统一的接口（快设备和字符设备）表示硬件设备和逻辑文件系统，这样上层软件就不再关心具体的硬件形态了。
System Call Interface：
系统调用接口，向用户空间提供访问文件系统和硬件设备的统一的接口。
3.5 网络子系统（Net）
网络子系统在Linux内核中主要负责管理各种网络设备，并实现各种网络协议栈，最终实现通过网络连接其它系统的功能。在Linux内核中，网络子系统几乎是自成体系，它包括5个子模块（见下图），它们的功能如下：
Network Device Drivers：
网络设备的驱动，和VFS子系统中的设备驱动是一样的。
Device Independent Interface：
和VFS子系统中的是一样的。
Network Protocols：
实现各种网络传输协议，例如IP, TCP, UDP等等。
Protocol Independent Interface：
屏蔽不同的硬件设备和网络协议，以相同的格式提供接口（socket)。
System Call interface：
系统调用接口，向用户空间提供访问网络设备的统一的接口。
至于 IPC 子系统，由于功能比较单纯，这里就不再描述。
四、Linux 内核源代码的目录结构
Linux 内核源代码包括三个主要部分：
内核核心代码，包括第 3 章所描述的各个子系统和子模块，以及其它的支撑子系统，例如电源管理、Linux 初始化等；
其它非核心代码，例如库文件（因为 Linux 内核是一个自包含的内核，即内核不依赖其它的任何软件，自己就可以编译通过）、固件集合、KVM（虚拟机技术）等；
编译脚本、配置文件、帮助文档、版权说明等辅助性文件；
以下为内核源代码的顶层目录结构，具体描述如下：
## 内核头文件，需要提供给外部模块（例如用户空间代码）使用
include
## Linux 内核的核心代码，包含了（3.2小节）所描述的进程调度子系统，以及和进程调度相关的模块
kernel
## 内存管理子系统（3.3小节）
mm
## VFS 子系统（3.4小节）
fs
## 不包括网络设备驱动的网络子系统（3.5小节）
net
## IPC（进程间通信）子系统
ipc
## 体系结构相关的代码，例如 arm, x86 等等
arch
## 体系结构相关的头文件，例如 x86
arch/x86/include/asm
## 设备树（Device Tree）文件，例如 arm
arch/arm/boot/dts
## Linux系统启动初始化相关的代码
init
## 提供块设备的层次
block
## 音频相关的驱动及子系统，可以看作“音频子系统”
sound
## 设备驱动（在 Linux kernel 3.10 中，设备驱动占了 49.4 的代码量）
drivers
## 实现需要在内核中使用的库函数，例如 CRC、FIFO、list、MD5 等
lib
## 加密、解密相关的库函数
crypto
## 提供安全特性（SELinux）
security
## 提供虚拟机技术（KVM等）的支持
virt
## 用于生成 initramfs 的代码
usr
## 保存用于驱动第三方设备的固件
firmware
## 一些示例代码
samples
## 一些常用工具，如性能剖析、自测试等
tools
## 用于内核编译的配置文件、脚本等
Kconfig, Kbuild, Makefile, scripts/
## 版权声明
COPYING
## 维护者名单
MAINTAINERS
## Linux 主要的贡献者名单
CREDITS
## Bug 上报的指南
REPORTING-BUGS
## 帮助、说明文档
Documentation, README
原文链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/474337723
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