Linux 内核学习笔记：操作系统结构

发表于 2026/07/07 更新于 2026/07/08

作者 Hesperine

14 分钟阅读

Linux 内核学习笔记：操作系统结构

这一篇记录操作系统结构里和 Linux 内核学习直接相关的部分：内核能力、用户态/内核态、系统调用、Linux 的多任务/SMP/ELF/宏内核设计，以及少量 Windows 内核对照。

问题索引

主题	本篇记录
内核是什么	内核作为应用和硬件之间的管理层
内核有哪些能力	进程调度、内存管理、硬件通信、系统调用
内核怎么工作	用户空间、内核空间、用户态、内核态
Linux 的设计	MultiTask、SMP、ELF、Monolithic Kernel
Windows 设计	NT、混合内核、PE 文件格式
内核架构类型	宏内核、微内核、混合内核

1. 内核：应用和硬件之间的管理层

应用程序不直接管理 CPU、内存、磁盘、网卡、键盘等硬件。内核负责把硬件能力包装成稳定接口，并负责隔离、调度、权限和错误处理。

可以先用这张表记内核能力：

能力	基础解释	Linux 落点
进程和线程管理	决定哪个执行流使用 CPU	`task_struct`、调度器、runqueue
内存管理	分配、回收、隔离虚拟地址空间	`mm_struct`、VMA、页表、page fault
文件系统	把持久化数据组织成文件和目录	VFS、dentry、inode、page cache
设备管理	让进程通过统一接口访问硬件	driver model、IRQ、DMA、`/sys`
网络栈	管理 socket、协议栈、收发包	`sk_buff`、NAPI、TCP/IP、qdisc
系统调用	给用户态程序提供受控入口	syscall table、syscall ABI、`copy_to_user()`

这张表就是后续 Linux 笔记的骨架。每一个能力都会落到具体结构体、状态转换和源码路径。

2. 用户空间、内核空间、用户态、内核态

现代 OS 会把执行权限和地址空间分层。应用程序运行在用户态，内核运行在内核态。

名词	记录
用户空间	普通进程使用的虚拟地址空间区域
内核空间	内核代码和内核数据所在区域
用户态	CPU 低权限级别，普通程序在这里执行
内核态	CPU 高权限级别，内核可以访问核心资源和硬件

用户态程序不能随意访问硬件、改页表、关中断、读写任意内存。需要内核服务时，通过系统调用进入内核。

系统调用的最小路径：

用户态程序
  -> libc 包装函数
  -> syscall 指令 / trap
  -> syscall entry
  -> 内核检查参数和权限
  -> 执行内核服务
  -> 返回用户态

Linux 落点：

问题	Linux 入口
syscall 从哪里进	`arch/x86/entry/`
syscall 怎么分发	syscall number、syscall table
用户指针怎么访问	`copy_from_user()`、`copy_to_user()`
当前进程是谁	`current`、`task_struct`
参数错了怎么办	`errno`、信号、失败返回

read()、write()、mmap()、clone()、execve()、ioctl() 都属于这条边界。

3. 系统调用、异常、中断

用户程序进入内核时，内核学习里需要把三类入口分开记。

入口	来源	例子	和当前 task 的关系
系统调用	用户程序主动请求内核	`read()`、`mmap()`、`clone()`	当前 task 主动进入内核
异常	当前指令执行出问题或需要内核介入	page fault、除零、非法指令	通常处理当前 task 的上下文
中断	外部硬件或定时器事件	网卡收包、磁盘完成、timer	不一定属于当前 task

这一区分会影响能不能睡眠。

上下文	能否睡眠	说明
进程上下文	通常可以	内核代码代表某个 task 执行，可以被调度走再恢复
中断上下文	不能随便睡眠	没有普通进程上下文，路径要短，常把工作推给 softirq/workqueue

后续设备管理、网络系统、BPF tracing 都会用到这个边界。

4. Linux 设计点：MultiTask

MultiTask 表示多任务。单核上多个任务交替运行，形成并发；多核上多个任务可以同时运行，形成并行。

概念	记录
并发	一段时间内多个任务都在推进，单核也可以做到
并行	同一时刻多个任务真的在不同 CPU 上执行
时间片	调度器给普通任务分配 CPU 时间的一种模型
抢占	当前任务运行中也可能被调度器换下

Linux 落点：

对象	作用
`task_struct`	调度和管理的执行实体
runqueue	每个 CPU 上的可运行任务集合
scheduling class	不同任务类型的调度策略
`schedule()`	调度入口之一
`sched_switch`	调度切换 tracepoint

观测入口：

命令	记录
`ps -eLf`	进程和线程
`vmstat 1`	runnable 数、上下文切换
`pidstat -w 1`	进程上下文切换
`perf sched latency`	调度延迟

5. Linux 设计点：SMP

SMP 是对称多处理。多个 CPU 地位相同，共享同一套内存和硬件资源，任务可以被调度到不同 CPU 上运行。

Linux 学习里 SMP 带来几个具体问题：

问题	说明
多 CPU runqueue	每个 CPU 有自己的调度队列，需要负载均衡
task migration	任务迁移到别的 CPU 可能丢失 Cache 热数据
并发访问共享数据	需要锁、原子操作、RCU、per-CPU 数据
中断分布	硬件中断可能集中在某些 CPU 上
NUMA	多路机器上访问本地/远端内存成本不同

观测入口：

命令 / 路径	用途
`lscpu`	CPU、核心、NUMA、Cache 信息
`taskset -p <pid>`	CPU affinity
`/proc/interrupts`	中断在 CPU 上的分布
`mpstat -P ALL 1`	各 CPU 使用率

6. Linux 设计点：ELF

ELF 是 Linux 上常见的可执行文件和共享库格式。源代码经过编译、汇编、链接后形成 ELF 文件；执行时，内核和动态链接器把它装载到进程地址空间。

最小链路：

C 源码
  -> 编译
  -> 汇编
  -> 链接
  -> ELF 可执行文件
  -> execve()
  -> 装载到进程地址空间

Linux 落点：

概念	Linux 落点
`execve()`	替换当前进程的用户态程序映像
Program header	描述运行时需要映射的段
动态链接器	装载共享库、处理动态符号
地址空间	text、data、heap、mmap、stack
`/proc/<pid>/maps`	查看 ELF 段和共享库映射

ELF 和后续进程模型、虚拟内存、execve() 路径直接相关。

7. Linux 设计点：宏内核

Linux 是宏内核。进程调度、内存管理、文件系统、网络栈、设备驱动等大部分核心服务运行在内核态。

架构	记录
宏内核	核心服务集中在内核态，函数调用路径短，性能好，内核内部错误影响面大
微内核	内核只保留最小能力，文件系统/驱动等服务可放用户态，隔离好，跨边界通信成本高
混合内核	结合两者设计，具体系统实现差异大

Linux 也支持动态加载模块。很多驱动可以作为内核模块加载和卸载，但模块加载后仍运行在内核态。

机制	记录
kernel module	动态加载内核代码
Kconfig	配置功能是否编进内核或作为模块
`lsmod`	查看已加载模块
`modinfo`	查看模块信息
`dmesg`	查看内核日志

宏内核对学习路径的影响：读 Linux 时经常需要跨子系统看调用链，例如 read() 会同时碰到 syscall、VFS、page cache、调度和设备 I/O。

8. Windows 对照：只保留边界

Windows NT 和 Linux 的对照只记录三个边界。

对照点	记录
内核架构	Linux 是宏内核；Windows NT 通常归为混合内核
可执行文件	Linux 常见 ELF；Windows 常见 PE
源码可得性	Linux 内核源码开放，适合学习源码路径和做实验

这个系列后续只展开 Linux。Windows 对照用于理解不同 OS 可以采用不同内核组织方式。

压缩表

概念	Linux 笔记落点
内核	`kernel/`、`mm/`、`fs/`、`net/`、`drivers/`
用户态/内核态	syscall、exception、interrupt、权限边界
MultiTask	`task_struct`、调度器、runqueue
SMP	per-CPU runqueue、负载均衡、锁、RCU、CPU affinity
ELF	`execve()`、程序装载、`/proc/<pid>/maps`
Monolithic Kernel	VFS、网络栈、驱动、内存管理都在内核态协作

检查点与参考回答

问题	参考回答
内核提供哪些基本能力？	进程和线程管理、内存管理、硬件设备管理、文件系统、网络栈和系统调用接口。
用户态和内核态怎么区分？	用户态运行普通应用，权限低；内核态运行内核代码，权限高，可以管理页表、设备、中断等核心资源。
系统调用是什么？	系统调用是用户态程序请求内核服务的受控入口，内核会检查参数、权限和用户地址，再执行对应服务。
syscall、异常、中断有什么区别？	syscall 是用户主动请求；异常来自当前指令，例如 page fault；中断来自外部硬件或定时器，和当前 task 不一定有关。
Linux 的 MultiTask 和 SMP 分别是什么意思？	MultiTask 表示支持多个任务并发/并行推进；SMP 表示多个 CPU 地位对称，共享内存和硬件资源。
ELF 和 `execve()` 有什么关系？	ELF 是可执行文件格式；`execve()` 会让当前进程装载新的 ELF 程序映像，替换原用户态地址空间内容。
宏内核对 Linux 学习有什么影响？	很多核心服务都在内核态，真实路径经常跨多个子系统，例如 `read()` 会穿过 syscall、VFS、page cache、调度和设备 I/O。

本篇参考

Remzi H. Arpaci-Dusseau and Andrea C. Arpaci-Dusseau, Operating Systems: Three Easy Pieces
Michael Kerrisk, The Linux Programming Interface
Robert Love, Linux Kernel Development
Linux Kernel Documentation

学习笔记, OS与Linux内核笔记

本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权

问题索引

1. 内核：应用和硬件之间的管理层

2. 用户空间、内核空间、用户态、内核态

3. 系统调用、异常、中断

4. Linux 设计点：MultiTask

5. Linux 设计点：SMP

6. Linux 设计点：ELF

7. Linux 设计点：宏内核

8. Windows 对照：只保留边界

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