Linux的架构

标签: linux 架构 | 发表时间:2012-09-18 18:56 | 作者:Vamei
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我们以下图为基础,说明Linux的架构(architecture)。(该图参考《 Advanced Programming in Unix Environment》)

(不好意思,画丑,字丑)

 

最内层是我们的硬件,最外层是我们常用的各种应用,比如说使用firefox浏览器,打开evolution查看邮件,运行一个计算流体模型等等。硬件是我们的物质基础,而应用是我们所要奋斗的目标,但在两者之间,还要经过一番周折。

还记得我们在 Linux启动的时候。首先会启动内核 (kernel),内核是一段计算机程序,这个程序直接管理管理硬件,包括CPU、内存空间、硬盘接口、网络接口等等。所有的计算机操作都要通过内核传递给硬件。

 

为了我们方便调用内核,我们将内核的功能总结成为系统调用(system call)。系统调用看起来就像是的C语言函数,你也可以在程序中直接调用。Linux系统有两百多个这样的系统调用。系统调用给了上层程序一个清晰的接口,隐藏了内核的复杂结构。一个操作系统上的功能可以看作是系统调用的组合的效果,而且一个操作系统不可能作出超越系统调用的动作。可以说一个系统调用函数就像是汉字的一个笔画,任何一个汉字都要由基本的笔画(点、横、撇等等)构成,而且我们不能臆造出笔画。在命令行中输入$man 2 syscalls可以查看所有的系统调用。你也可以通过$man 2 read来查看系统调用read()的说明。在这两个命令中的2都表示我们要在2类(系统调用类)中查询 (具体各个类是什么可以通过$man man看到)。

 

由于系统调用非常基础,所以有时使用起来很麻烦。比如说一个简单的给变量分配内存空间的操作,就需要动用多个系统调用。Linux定义一些库函数(library routine)来将系统调用组合成某些常用的功能,以方便我们编程。比如上面的分配内存的操作,看以定义成为一个库函数(像malloc()这样的函数)。再比如说,在读取文件的时候,系统调用要求我们设置好所需要的缓冲。我们这个时候可以使用Standard IO库中的读取函数,而这个读取函数既负责设置缓冲,又负责使用读取的系统调用函数。使用库函数对于机器来说并没有效率上的优势,但可以把程序员从细节中解救出来。库函数就像是汉字的偏旁部首,它由笔画组成,但使用偏旁部首更容易组成字,比如"铁"。当然,你也完全可以不使用库函数,而直接调用系统函数,就像“人”字一样,不用偏旁部首。

(实际上,一个操作系统要称得上是UNIX系统,必须要拥有一些库函数,比如ISO C标准库,POSIX标准等。)

 

至于shell,可以看作一种特殊的应用。实际上我们之前所说的 命令行,就是shell。shell是一个命令解释器(interpreter),当我们输入ls的时候,它将此字符串解释为1) 在默认路径找到该文件(/bin/ls),2) 执行该文件。我们之前 用>表示重新定向,用|表示管道,也是通过shell进行理解&或者|的含义,再通过系统调用指挥kernel建立具体的重定向或者管道机制。在没有图形界面之前,shell充当了用户的界面,当用户要运行某些应用的时候,要通过shell输入命令,以建立运行程序。shell可以执行符合shell语法的文本,这样的文本叫做shell脚本(script)。我们可以在图中看到,shell下通系统调用,上通各种应用,同时还有许多自身的便利可以使用,这些条件让shell脚本可以实现非常强大的功能。UNIX的一条哲学是让每个程序尽量独立的做好一个小的功能。而shell充当了这些小功能之间的"胶水",让不同程序能够以一个清晰的接口(文本流)协同工作,从而增强各个程序的功能。(这也是我们鼓励多用shell,少用图形化界面的原因之一。)

(shell也有很多种,最常见的是bash, 另外还有sh, csh, tcsh, ksh。它们出现的年代不同,所支持的功能也有差异。)

一个shell

 

最后,我们进入一般的应用。应用是一个程序,它可以1) 直接调用系统函数 2) 调用库函数 3) 运行shell script。这些应用可以由多种语言开发(当然,最常见的是C语言),以满足我们使用计算机的各种需要。

 

我们可以看到,Linux利用kernel实现软硬件的对话。通过系统调用的这个重要的接口,Linux将上层的应用与下层的kernel完全分离开,为程序员隐藏了底层的复杂性(相应的,也提高了上层应用的可移植性)。当我们在升级kernel的时候,也可以保持系统调用的语句不变,从而让上层应用不感受到下层的改变。库函数利用系统调用创造出模块化的功能,而shell则提供了一个用户界面,并让我们可以利用shell的语法编写脚本,以整合程序。

而所有的这些安排也为其他应用的开发提供了便利。

 

总结:

kernel 系统调用

库函数 shell

应用

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