Linux操作系统 —— 内核（二）
本系列，是自己学习Linux过程中的笔记。
希望读者在看完全文后，也能留下你们的经验或者问题。
如果能从这里学到点东西，记得请我喝杯☕☕☕~
—— MinRam
一、前言 Overview
操作系统（Operate System) 是硬件的管家。
组装过个人电脑（Personal Compute)的朋友，一定知道一台完整的电脑主要包括： CPU, 内存条, 主板, 硬盘, 显示器, 鼠标/键盘, 显卡
在组装完这些硬件后，还需要安装一个操作系统，比如windows。在经过各种配置（折腾），最后完成了从硬件到可操作的计算机组装。最后装上QQ，加个群，愉快地在群里吹逼。
那么操作系统是如何管理这么多的组件，最后只需要通过鼠标和键盘，就能提供各种各样的服务呢？
二、内核 Kernal
内核(Kernal), 是操作系统的心脏，可以理解是一家通过包装和管理硬件资源，为上层运行的软件提供简单便捷服务的公司。
以较合理的方式阐述内核的地位：
- 从技术层面讲：内核是硬件和软件的中间层。作用是将应用层序的请求传递给硬件，并充当底层驱动程序，对系统中的各种设备和组件进行寻址。
- 从应用层面讲：上层应用软件并不关心硬件，它最多只需要关心内核。内核是应用程序在系统中所能触碰的最底层。所以内核抽象了硬件，让应用感知不到实际硬件的逻辑细节。
- 内核是硬件的资源管理程序。负责将可用资源（CPU, Disk, RAM)分配到各个系统进程。
- 内核也基于系统调用子系统（System Call)提供了一整套系统操作库，让应用程序能像普通函数一样，调用系统接口。
系统主要由以下几个组成部分，由系统调用（系统调用子系统）统一管理。应用通过系统调用提供的函数接口与内核进行交互。用户应用程序执行的区域是用户空间，以下则是内核空间。
以上阐述，可能都听不懂，所以结合QQ应用，从打开到发消息吹逼，解释内核各组件的用途。
1. 设备管理子系统 （Device Management System）
计算机有各式各样的外接设备（鼠标，键盘，摄像头，音响）。这些设备都是由不同制造商制作的，但却都能在操作系统中适配。其关键就是设备管理子系统
操作系统的设备管理子系统，又叫做设备驱动系统。为了能够兼容这些各式各样的设备，系统将设备进行了抽象成几个动作（初始化/释放，读取设备上的信息，发送消息给设备，检测设备错误）。这样操作系统就不必去定义所有牌子的设备。
在Linux系统中，设备被分成：字符设备，块设备，网络设备。
在QQ的例子中，我们分成两类设备： 输入设备和输出设备。
输入设备，就是计算机给使用者（客户）提供的客户对接员（客服)，用来接受使用者（客户）的反馈。
鼠标/键盘，就是计算机的输入设备。我们通过移动鼠标，告知电脑，指针往哪个方向移动了多少，左键或者右键。又或者通过键盘，告知电脑，我们输入什么样的字符。如同公司的客服，配备销售、售前的岗位，与客户对接，把需求传递到后方。
而对于操作系统，鼠标/键盘对应的驱动（输入设备驱动），就是操作系统配备的客户对接员，用来解释设备传递过来的信息。同时这会给操作系统发送中断信号，告知操作系统需要停下来，听听使用者要干嘛。这个时候使用者发送消息的事件，为中断事件 Interrupt Event。
补充下硬件到软件的知识（以现在常见的USB接口鼠标为例）：
除了USB接口的鼠标外，还有PS/2和串口等，其信号流路径各不相同。
现在通过鼠标，能操作指针去打开QQ。
输出设备，就是计算机给使用者（客户）提供的产品交付员，用来给使用者（客户）反馈结果。
显示器 + 显卡，就是计算机的输出设备。将计算机处理结果展示给使用者（客户）。对于显卡和显示器，只知道在哪个坐标，展示什么图像（像素）。当鼠标移动时，不断的刷新指针的位置，重新绘制。
而对于操作系统，显卡驱动就是操作系统的产品交付员。
因此通过显示器，我们能知道指针到哪了，QQ的快捷键位置，以及QQ运行过程中的各种消息。
2. 文件管理子系统 (File Management System)
通过鼠标点击快捷键，发送中断事件，操作系统开始处理“指针点击QQ快捷键”事件。
在操作系统知道，指针点击了QQ的快捷键后，操作系统开始启动QQ。而这不再是简单的移动指针，不是零星的操作，于是系统选择单独立项，由单独的进程（项目组）来执行这个项目。
显然，立项就需要有完整的执行计划书，指导系统该怎么做，怎么执行，遇到各种情况该怎么办。而这些逻辑都被程序定义好，也就是由开发者设计并编写的代码，通过编译变成这份项目执行计划书（程序）。
这些程序，都是通过二进制被存放在计算机的存储设备上，也就是常说的硬盘。硬盘也是计算机的物理设备。在第一次使用时，会进行格式化 (对存储空间初始化)之后，就能存储这些文件。为管理这些文件，操作系统提供了文件管理子系统（File Management System)。就像存放项目计划书的档案室，有一定的归档格式，在需要的时候，可以拿到对应应用的程序。
从文件管理子系统中，我们拿到了QQ的程序。这只是一份二进制数据，指导QQ的运行逻辑。
在Linux系统中，有一个概念： 一切都是文件。Linux把各种资源都当作文件，包括硬件设备（对应设备文件）。所以Linux系统的根文件系统实现了虚拟文件系统（Virtual File System, VFS)。
3. 系统调用子系统 (System Call System)
系统调用，是操作系统上层应用进入内核的入口。
就跟项目的建立，需要项目组，人力，物力和流程审批一样。运行一个程序，需要CPU、内存、各种设备的调度。而资源的调度，就涉及到两个问题：
- 效率，时间就是金钱，不管是资源申请还是使用，都应尽可能高效。
- 权限，一个公司中会有多个项目，每个项目都有各自的权限。同样的每个程序都有各自的权限，普通程序不能访问机密程序的资源等。
效率，主要就是依靠操作系统的统一接口，统一的办事大厅，也就是系统调用。权限，则依靠操作系统的权限机制，例如linux的文件权限管理。
而QQ的启动，就需要通过系统调用，来调用进程管理子系统，创建新进程（Process)。
通过系统调用，我们为QQ建立起新进程，用来专门处理QQ的逻辑。
一旦项目(程序）正式立项，就要开始执行，就要成立项目组(进程），将开发人员（线程)分配到这个项目组(进程），按照项目执行计划书（代码）一步一步执行。
4. 进程管理子系统 (Process Management System)
通过进程管理子系统，创建了QQ进程。由文件系统中的静态程序转变成运行中的进程。
进程管理子系统的核心业务就是进程调度。在Linux内核中，它的调度单位就是进程，负责调度多个进程对CPU的访问，从而在宏观上，系统中的进程是并发的。除了上面提到的创建新进程（fock,exec)，进程调度子系统还提供了结束进程（kill,exit)，控制进程，同步进程以及进程间通讯的接口。
CPU的处理线程就好比开发人员，多个进程就是一个个项目，进程管理子系统就像项目经理，负责调度项目到开发人员手上进行。
进程和程序的区别：
- 程序： 存放在硬盘（存储设备）上的一段代码和数据的可执行镜像，是一个静态的实体，并不会有任何变化。
- 进程： 是一个执行中的程序，由CPU执行，在根据代码的逻辑，动态变化的实体。
通过进程管理子系统，为QQ建立一个进程（项目组），为这个进程提供可用的CPU（开发人员）
5. 内存管理子系统 (RAM Management System)
通过内存管理子系统，保证系统各个进程安全访问内存区域。
在Linux系统中，内存管理子系统保证各个进程有自己独立且私密的内存空间，同时也实现了虚拟内存到物理内存的转换，以及系统的可用空间。
每个项目组都需要自己的会议室，自己的草稿白板，同时应该具备一定的保密性，避免被其他项目组看到。所以内存管理子系统，又像是会议室管理系统
内存管理的硬件按照分页方式管理内存，分页就是把系统的物理内存按照相同大小等分，每个内存分片称作内存页，通常内存页大小是4KB。
内存管理子系统要管理的不仅是4KB缓冲区，它提供了对4KB缓冲区的抽象，例如slab分配器。这种内存管理模式使用4KB缓冲区为基数，然后从中分配管理结构，并跟踪内存页使用情况 ，系统中哪些内存页是满的，哪些内存页面为空，哪些内存页没有完全使用。这样一来，系统就支持动态调整内存使用情况。
补充一点，Linux是支持内存交换的，因为Linux中使用的是虚拟内存，当物理内存不足时，内存管理子系统会将内存暂时移到磁盘中，在物理内存充裕时又将内存页从磁盘移到物理内存中，这就是内存交换。而在32bit的系统上，每个进程都最大享有4GB的内存空间，因为由于32bit的系统寻址空间只有4G，当然这是虚拟内存，0~3GB是属于用户内存空间，3GB以上的则是属于 系统内存空间，实际上用户的程序几乎使用不完那么大的用户空间，一旦超出将无法正常运行，当然系统内存空间与用户内存空间是可以调整的。
6. 网络子系统 (Network System)
网络子系统，主要是为了同其他机器进行通讯，因此操作系统常常将与网络相关的代码被Linux独立开，形成一个相对独立的子系统，称为网络子系统。
后续会有单独一章讲解。
三、总结 Summary
综上，整个内核大致功能就是这些，这里只是简单讲下后续单独展开各子系统运行逻辑。
