Linux系统一般有4个主要部分：内核、shell、文件系统和应用程序。内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。

一、linux内核

Linux内核由如下几部分组成：内存管理、进程管理、设备驱动程序、文件系统和网络管理等，如下图所示：

1.1 内存管理

对任何一台计算机而言，其内存以及其他资源都是有限的。为了让有限的物理内存满足应用程序对内存的大需求量，Linux采用了称为“虚拟内存”的内存管理方式。Linux将内存划分为容易处理的“内存页”（对于大部分体系结构来说都是4KB）。Linux包括了管理可用内存的方式，以及物理和虚拟机映射所使用的硬件机制。

不过内存管理要管理的可不止4KB缓冲区。Linux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，然后从中分配结构，并跟踪内存页使用情况，比如哪些内存页是满的，哪些页面没有完全使用，哪些页面为空。这样就允许该模式根据系统需要来动态调整内存使用。

为了支持多个用户使用内存，有时会出现可用内存被消耗光的情况。由于这个原因，页面可以移出内存并放入磁盘中。这个过程称为交换，因为页面会被从内存交换到硬盘上。内存管理的源代码可以在 ./linux/mm 中找到。

1.2 进程管理

通过多任务机制，每个进程可认为只有自己独占计算机，从而简化程序的编写。每个进程有自己单独的地址空间，并且只能由这一进程访问，这样操作系统避免了进程之间的互相干扰以及”坏程序“对系统可能造成的危害。

内核通过SCI提供了一个应用程序编程接口（API）来创建一个进程（fork、exec或Portable Operating System Interface [POSIX]函数），停止进程（kill、exit），并在它们之间进行通信和同步（signal或者POSIX机制）

1.3 文件系统

和DOS等操作系统不同，Linux操作系统中单独的文件系统并不是由驱动器号或驱动器名称（如A：或C：等）来标识的。相反，和UNIX操作系统一样，Linux操作系统将独立的文件系统组合成了一个层次化的树形结构，并且由一个单独的实体代表这一文件系统。Linux将新的文件系统通过一个称为”挂装“或”挂上“的操作将其挂装到某个目录上，从而让不同的文件系统结合成为一个整体。Linux操作系统的一个重要特点是它支持许多不同类型的文件系统。Linux中最普遍使用的文件系统是Ext2，它也是Linux土生土长的文件系统。但Linux也能够支持FAT、VFAT、FAT32，MINIX等不同类型的文件系统，从而可以方便地和其他操作系统交换数据。由于Linux支持许多不同的文件系统，并且将它们组织成了一个统一的虚拟文件系统。

1.3.1 虚拟文件系统（virtual file system，VFS）

隐藏了各种硬件的具体细节，把文件系统操作和不同文件系统的具体实现细节分离了开来，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虚拟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。

虚拟文件系统（VFS）是Linux内核中非常有用的一个方面，因为它为文件系统提供了一个通用的接口抽象。VFS在SCI和内核所支持的文件系统之间提供了一个交换层。即VFS在用户和文件系统之间提供了一个叫换层：

在VFS上面，是对诸如open、close、read和write之类的函数的一个通用API抽象。在VFS下面是文件系统抽象，它定义了上层函数的实现方式。它们是给定文件系统的插件。文件系统的源代码可以在./linux/fs 中找到。

文件系统层下面是缓冲区缓存，它为文件系统层提供了一个通用函数集（与具体文件系统无关）。这个缓存层通过将数据保留一段时间（或者随机预先读取数据以便在需要时就可用）优化了对物理设备的访问。缓冲区缓存之下是设备驱动程序，它实现了特定物理设备的接口。

因此，用户和进程不需要知道文件所在的文件系统类型，而只需要像使用ext2文件系统中的文件一样使用它们。

1.4 设备驱动程序

设备驱动程序是Linux内核的主要部分。和操作系统的其他部分类似，设备驱动程序运行在高特权级的处理器环境中，从而可以直接对硬件进行操作，但正因为如此，任何一个设备驱动程序的错误都可能导致操作系统的崩溃。设备驱动程序实际控制操作系统和硬件设备之间的交互。

设备驱动程序提供一组操作系统可理解的抽象接口，完成和操作系统之间的交互，而与硬件相关的具体操作细节由设备驱动程序完成。一般而言，设备驱动程序和设备的控制芯片有关，例如，如果计算机硬盘是SCSI硬盘，则需要使用SCSI驱动程序，而不是IDE驱动程序。

1.5 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。众所周知，TCP/IP 协议是 Internet 的标准协议，同时也是事实上的工业标准。

Linux 的网络实现支持 BSD 套接字，支持全部的TCP/IP协议。Linux内核的网络部分由BSD套接字、网络协议层和网络设备驱动程序组成。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。

二、Linux Shell

shell是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行，是一个命令解释器。另外，shell编程语言具有普通编程语言的很多特点，用这种编程语言编写的shell程序与其他应用程序具有同样的效果。

目前主要有下列版本的shell：

1. Bourne Shell：是贝尔实验室开发的
2. BASH：是GNU的Bourne Again Shell，是GNU操作系统上默认的shell，大部分的Linux发行套件使用的都是这种shell
3. Korn Shell：是对Bourne Shell的发展，在大部分内容上与Bourne Shell兼容
4. C Shell：是SUN公司的Shell的BSD版本

三、Linux文件系统

文件系统是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。Linux系统能支持多种目前流行的文件系统，如EXT2、EXT3、FAT、FAT32、VFAT和ISO9660

3.1 文件类型

Linux下面的文件类型主要有：

1. 普通文件：C语言元代码、Shell脚本、二进制的可执行文件等。分为纯文本和二进制
2. 目录文件：目录，存储文件的唯一地方
3. 链接文件：指向同一个文件或目录的文件
4. 设备文件：与设备外设相关的，通常在/dev下面。分为块设备和字符设备
5. 管道（FIFO）文件：提供进程之间通信的一种方式
6. 套接字（socket）文件：该文件类型与网络通信有关

可以通过ls –l, file, stat几个命令来查看文件的类型等相关信息。

3.2 Linux目录

文件结构是文件存放在磁盘等存贮设备上的组织方法。主要体现在对文件和目录的组织上。

目录提供了管理文件的一个方便而有效的途径。

Linux使用标准的目录结构，在安装的时候，安装程序就已经为用户创建了文件系统和完整而固定的目录组成形式，并制定了每个目录的作用和其中的文件类型。

完整的目录树可划分为小的部分，这些小部分又可以单独存放在自己的磁盘或分区上。这样，相对稳定的部分和经常变化的部分可单独存放在不同的分区中，从而方便备份或系统管理。目录树的主要部分有root、/usr、/var、/home 等。这样的布局可方便在 Linux 计算机之间共享文件系统的某些部分。

Linux采用的是树型结构。最上层是根目录，其他的所有目录都是从根目录出发而生成的。

微软的DOS和windows也是采用树型结构，但是在DOS和windows中这样的树型结构的根是磁盘分区的盘符，有几个分区就有几个树型结构，他们之间的关系是并列的。最顶部的是不同的磁盘（分区），如：C，D，E，F等。

但是在linux中，无论操作系统管理几个磁盘分区，这样的目录树只有一个。从结构上讲，各个磁盘分区上的树型目录不一定是并列的。

https://www.linuxprobe.com/linux-system-structure.html

四、从Linux角度看用户态和内核态

从宏观上来看，Linux操作系统的体系架构分为用户态和内核态（或者用户空间和内核）。内核从本质上看是一种软件-控制计算机的硬件资源，并提供上层应用程序运行的环境。用户态即上层应用程序的活动空间，应用程序的执行必须依托于内核提供的资源，包括CPU资源、存储资源、I/O资源等。为了使上层应用能够访问到这些资源，内核必须为上层应用提供访问的接口：即系统调用。

再看下上面这个图：

就是系统调用将Linux整个体系分为用户态和核心态（用户空间和内核）。

• 内核态本质上就是内核，它拥有较高的特权，能执行一切指令，访问所有寄存器和存储区，传统的OS都在系统态运行。
• 用户态就是提供应用程序运行的空间，又称为目态，它是具有较低特权的执行状态，仅能执行规定的指令，访问指定的寄存器和存储区。一般情况下，应用程序只能在用户态进行，不能去执行OS指令及访问OS区域，这样可以防止应用程序对OS的破坏

再看如下的图：

可以看出，应用程序通过库函数和shell来进行系统调用。

4.1 系统调用

系统调用接口（System Call Interface）：SCI提供了某些机制，执行从用户空间到内核的函数调用。这个接口依赖于体系结构，甚至在相同的处理器家族内也是如此。SCI实际上是一个非常有用的函数调用多路复用和多路分解服务。在./linux/kernel中我们可以找到SCI的实现，并在./linux/arch中找到依赖于体系结构的部分。

系统调用是操作系统的最小功能单位。根据不同的应用场景，不同的Linux发行版本提供的系统调用数量也不尽相同，大致在240-350之间。这些系统调用组成了用户态跟内核态交互的基本接口，例如：用户态想要申请一块20K大小的动态内存，就需要brk系统调用，将数据段指针向下偏移。

4.2 库函数

库函数就是屏蔽这些复杂的底层实现细节，减轻程序员的负担，从而更加关注上层的逻辑实现。它对系统调用进行封装，提供简单的基本接口给用户，这样增强了程序的灵活性，当然对于简单的接口，也可以直接使用系统调用访问资源，例如：open（），write（），read（）等等。库函数根据不同的标准也有不同的版本，例如：glibc库，posix库等。

4.3 用户态到内核态

因为操作系统的资源是有限的，如果访问资源的操作过多，必然会消耗过多的资源，而且如果不对这些操作加以区分，很可能造成资源访问的冲突。所以，为了减少有限资源的访问和使用冲突，Unix/Linux的设计哲学之一就是：对不同的操作赋予不同的执行等级，就是所谓特权的概念。简单说就是有多大能力做多大的事，与系统相关的一些特别关键的操作必须由最高特权的程序来完成。Intel的X86架构的CPU提供了0到3四个特权级，数字越小，特权越高，Linux操作系统中主要采用了0和3两个特权级，分别对应的就是内核态和用户态。运行于用户态的进程可以执行的操作和访问的资源都会受到极大的限制，而运行在内核态的进程则可以执行任何操作并且在资源的使用上没有限制。很多程序开始时运行于用户态，但在执行的过程中，一些操作需要在内核权限下才能执行，这就涉及到一个从用户态切换到内核态的过程。比如C函数库中的内存分配函数malloc()，它具体是使用sbrk()系统调用来分配内存，当malloc调用sbrk()的时候就涉及一次从用户态到内核态的切换，类似的函数还有printf()，调用的是wirte()系统调用来输出字符串，等等。

一般在下面三种情况下，会发生从用户态到内核态的切换：

1. 系统调用：其实系统调用本身是中断，但是是软中断，和硬中断不同
2. 异常：如果当前进程运行在用户态，如果这个时候发生了异常事件，就会触发切换。例如：缺页异常
3. 外设中断：当外设完成用户的请求时，会向CPU发送中断信号，此时，CPU就会暂停执行下一条即将要执行的指令，转而去执行中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是在用户态下，则自然就发生从用户态到内核态的转换。