深入探索：Linux系统级开发技术全解析 (linux系统级开发)

作为一种非常流行的操作系统，Linux在各种应用场景下都有广泛的应用。对于喜欢深入了解计算机底层运作原理的开发者来说，掌握Linux系统级开发技术显得尤为重要。本篇文章将对Linux系统级开发技术做全面解析。

一、Linux系统架构

要想进行系统级开发，首先需要了解Linux的系统架构。Linux系统架构包含了内核空间与用户空间两个部分。内核空间负责操作系统内各种核心的功能，包括系统调用、内存管理、进程管理等；而用户空间则是系统的应用程序运行的空间。

1.1 内核空间

从用户空间到内核空间的转换，需要通过系统调用（system call）来完成。系统调用是应用程序与内核进行通信的重要方式，这些调用都有一个唯一的系统调用号，并且在特定的硬件环境下使用一个特定的寄存器进行调用。

在进入内核空间之前，需要通过中断（interrupt）或异常（exception）进行进入。在内核空间中，可以使用表格查找以及互斥等技术实现不同的系统功能，例如中断处理程序、内存管理程序、进程调度程序等。

1.2 用户空间

用户空间是程序正常运行的空间，它包含了应用程序与程序相互依赖的共享库。通常情况下，应用程序在运行的同时需要使用共享库来完成相应的功能，例如C库、网络库等等。

二、Linux系统级开发技术

2.1 系统调用

系统调用是编写用户空间与内核空间通讯的重要手段。系统调用接口主要实现在C库中，例如glibc库。在C语言中，利用系统调用可以实现各种操作系统功能，例如进程控制、文件操作、网络操作等。

以进程控制为例，通过系统调用可以实现进程创建、进程运行控制、文件操作、信号操作等。下面是一个使用系统调用实现创建子进程的示例代码：

“`

#include

int mn(int argc, char **argv)

{

pid_t pid;

pid = fork();

if (pid

/* fork fled */

return 1;

}

if (pid == 0) {

/* child process */

execv(“/bin/ls”, argv); /* run command */

} else {

/* parent process */

wt(); /* wt for child to exit */

}

return 0;

}

“`

2.2 内存管理

Linux中的内存管理主要分为用户空间内存管理和内核空间内存管理。用户空间的内存管理主要是通过glibc库实现，而内核空间的内存管理由内核的Page Allocator、Slab Allocator等组件来完成。

在内核空间中，通过Page Allocator可以实现大块内存的分配与回收，而Slab Allocator则可以实现内存缓存的管理。下面是使用Page Allocator实现内存分配的示例代码：

“`

#include

char *buf;

buf = kmalloc(1024, GFP_KERNEL);

if (!buf)

/* allocation fled */

else

/* use the allocated memory */

kfree(buf);

“`

2.3 进程管理

进程管理是操作系统的核心功能之一，包括了进程创建、进程调度、进程切换、进程删除等方面。在Linux中，进程的调度与管理主要由内核实现。

Linux中的进程可以通过fork()函数创建，每个进程都有一个唯一的PID号来进行标识。内核维护了一个进程表（Process Table）来存储所有的进程信息，并通过调度器来对进程进行调度和切换。

2.4 文件操作

Linux中的文件操作主要是通过系统调用实现的。文件可以是普通文件、目录文件、管道文件、设备文件等类型，而文件操作主要包括了文件打开、读写、关闭等操作。

在Linux中，每个文件都有一个唯一的文件描述符来进行标识。通过open()函数可以打开一个文件，并返回该文件的文件描述符；通过read()和write()函数可以实现文件的读写操作；而close()函数则可以关闭一个打开的文件。

2.5 网络编程

网络编程在Linux中也有广泛的应用，包括了Socket编程、TCP/IP协议等方面。Socket编程主要是通过系统调用实现的，例如通过socket()函数创建一个Socket并返回Socket描述符，在接收到客户端请求后通过accept()函数返回连接的Socket描述符等。

TCP/IP协议是互联网的核心协议之一，在Linux中由内核中的TCP/IP协议实现。通过Socket编程和TCP/IP协议可以实现客户端与服务器之间的通信，例如通过HTTP协议实现Web页面的访问、通过FTP协议实现文件的传输等等。

三、

相关问题拓展阅读：

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嵌入式设备的嵌入式设备上的Linux系统开发_嵌入式linux应用

Linux正在嵌入式开发领域稳步发展。因为Linux使用GPL（请参阅本文后面的参考资料），所以任何对将Linux定制于PDA、掌上机或者可佩带设备感兴趣的人都可以从因特网免费下载其内核和应用程序，并开始移植或开发。许多Linux改良品种迎合了嵌入式/实时市场。它们包括RTLinux（实时Linux）、uclinux（用于非MMU设备的Linux）、MontavistaLinux（用于ARM、MIPS、PPC的Linux分发版）、ARM-Linux（ARM上的Linux）和其它Linux系统

嵌入式Linux开发大致涉及三个层次：引导装载程序、Linux内核和图形用户界面（或称GUI）。引导装载程序通常是在任何硬件上执行的之一段代码。在象台式机这样的常规系统中，通常将引导装载程序装入主引导记录（MasterBootRecord，(MBR)）中，或者装入Linux驻留的磁盘的之一个扇区中。通常，在台式机或其它系统上，BIOS将控制移交给引导装载程序。

专用软件可以直接与远程系统上的闪存设备进行交互并将引导装载程序安装在闪存的给定位置中。闪存设备是与存储设备功能类似的特殊芯片，而且它们能持久存储信息—即，在重新引导时不会擦除其内容。

某些种类的嵌入式设备具有微小的引导代码—根据几个字节的指令—它将初始化一些DRAM设置并启用目标上的一个串行（或者USB，或者以太网）端口与主机程序通信。然后，主机程序或装入程序可以使用这个连接将引导装载程序传送到目标上，并将它写入闪存。设置工具链在主机机器上创建一个用于编译将在目标上运行的内核和应用程序的构建环境—这是因为目标硬件可能没有与主机兼容的二进制执行级别。

工具链由一套用于编译、汇编和链接内核及应用程序的组件组成。这些组件包括：Binutils—用于操作二进制文件的实用程序。它们包括诸如ar、as、objmp、objcopy这样的实用程序。G—GNUC编译器。Glibc—所有用户应用程序都将链接到的C库。避免使用任何C库函数的内核和其它应用程序可以在没有该库的情况下进行编译。构建工具链建立了一个交叉编译器环境。本地编译器编译与本机同类的处理器的指令。交叉编译器运行在某一种处理器上，却可以编译另一种处理器的指令。重头设置交叉编译器工具链可不是一项简单的任务：它包括下载源代码、修补补丁、配置、编译、设置头文件、安装以及很多很多的操作。另外，这样一个彻底的构建过程对内存和硬盘的需求是巨大的。如果没有足够的内存和硬盘空间，那么在构建阶段由于相关性、配置或头文件设置等问题会突然冒出许多问题。

因此能够从因特网上获得已预编译的二进制文件是一件好事（但不太好的一点是，它们大多数只限于基于ARM的系统，但迟早会改变的）。一些比较流行的已预编译的工具链包括那些来自Compaq（FamiliarLinux）、LART（LARTLinux）和Embedian（基于Debian但与它无关）的工具链—所有这些工具链都用于基于ARM的平台。从用户的观点来看，图形用户界面（GUI）是系统的一个最至关重要的方面：用户通过GUI与系统进行交互。所以GUI应该易于使用并且非常可靠。但它还需要是有内存意识的，以便在内存受限的、微型嵌入式设备上可以无缝执行。所以，它应该是轻量级的，并且能够快速装入。

另一个要考虑的重要方面涉及许可证问题。一些GUI分发版具有允许免费使用的许可证，甚至在一些商业产品中也是如此。另一些许可证要求如果想将GUI合并入项目中则要支付版税。

最后，大多数开发人员可能会选择XFree86，因为XFree86为他们提供了一个能使用他们喜欢的工具的熟悉环境。但是市场上较新的GUI，象CenturySoftware的（Nano-X）和TrolltechQT/Embedded，与X在嵌入式Linux的竞技舞台中展开了激烈竞争，这主要是因为它们占用很少的资源、执行的速度很快并且具有定制窗口构件的支持。

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