Linux基础--1.2 Linux 的架构与工作原理

Linux 的架构概述

Linux 是一个基于模块化设计的操作系统，其核心架构由以下几个部分组成：

1. 内核 (Kernel)：

   • Linux 的核心部分，负责系统资源的管理与调度，包括 CPU、内存、设备驱动等。

   • 核心功能包括：进程管理、内存管理、文件系统、网络栈和设备驱动。

2. 系统调用接口 (System Call Interface, SCI)：

   • 用户程序与内核之间的桥梁，提供系统服务的调用入口，例如文件操作、进程控制。

3. 用户空间 (User Space)：

   • 用户运行的应用程序和相关库位于此层，与内核通过系统调用交互。

   • 包括：Shell、桌面环境（如 GNOME、KDE）和各种用户程序。

4. 设备驱动程序：

   • 内核中负责与硬件交互的模块，提供对硬件设备的抽象。

5. 文件系统：

   • 提供对存储设备的抽象，支持多种文件系统（如 ext4、XFS、Btrfs）。

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|   Linux内核     |
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| 内存管理        |
| 进程管理        |
| 设备驱动程序    |
| 文件系统        |
| 网络接口        |
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          |
          V
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|      Shell      |
|-----------------|
| 用户命令接口    |
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          |
          V
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|   文件系统树     |
|-----------------|
| /               |
| /bin, /etc, ... |
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          |
          V
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| 应用程序        |
|-----------------|
| 文本编辑器      |
| 浏览器          |
| 数据库          |
| ...             |
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Linux 的工作原理

1. 启动过程：

   • BIOS/UEFI 阶段：加载启动引导程序（如 GRUB）。

   • 引导加载程序：加载 Linux 内核并初始化基本硬件。

   • 内核初始化：启动进程管理器（如 systemd），并加载必要的模块。

2. 进程管理：

   • Linux 以进程为核心，支持多任务和多用户环境。

   • 调度器负责分配 CPU 时间，支持多种调度算法（如完全公平调度 CFS）。

3. 内存管理：

   • 采用虚拟内存技术，将物理内存抽象为虚拟地址空间。

   • 提供分页、内存分配、交换等功能。

4. 文件系统操作：

   • 提供统一的虚拟文件系统接口，支持挂载多种文件系统。

5. 网络通信：

   • 内置强大的网络栈，支持 TCP/IP 协议族以及多种现代网络协议。

   • 提供套接字接口供用户程序使用。

6. 设备管理：

   • 利用设备驱动程序与硬件交互，支持即插即用设备管理。

模块化设计的优势

1. 灵活性：可以动态加载和卸载内核模块（如驱动程序）。

2. 可扩展性：支持多种硬件架构和文件系统。

3. 稳定性：模块化设计隔离了功能组件，降低系统崩溃的风险。

结语

Linux 的架构体现了高效与灵活的设计原则，从内核到用户空间，各模块分工明确且协作紧密。了解其工作原理有助于更深入地掌握系统性能调优、问题排查以及开发相关技术。