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  • Linux系統內核源代碼分析經驗談

    [來源] 達內    [編輯] 達內   [時間]2012-06-14

    Linux的最大的好處之一就是它的源碼公開。

     Linux的最大的好處之一就是它的源碼公開。同時,公開的核心源碼也吸引著無數的電腦愛好者和程序員;他們把解讀和分析Linux的核心源碼作為自己的最大興趣,把修改Linux源碼和改造Linux系統作為自己對計算機技術追求的最大目標。

    Linux內核源碼是很具吸引力的,特別是當你弄懂了一個分析了好久都沒搞懂的問題;或者是被你修改過了的內核,順利通過編譯,一切運行正常的時候。那種成就感真是油然而生!而且,對內核的分析,除了出自對技術的狂熱追求之外,這種令人生畏的勞動所帶來的回報也是非常令人著迷的,這也正是它擁有眾多追隨者的主要原因:

    首先,你可以從中學到很多的計算機的底層知識,如后面將講到的系統的引導和硬件提供的中斷機制等;其它,象虛擬存儲的實現機制,多任務機制,系統保護機制等等,這些都是非都源碼不能體會的。

    同時,你還將從操作系統的整體結構中,體會整體設計在軟件設計中的份量和作用,以及一些宏觀設計的方法和技巧:Linux的內核為上層應用提供一個與具體硬件不相關的平臺;同時在內核內部,它又把代碼分為與體系結構和硬件相關的部分,和可移植的部分;再例如,Linux雖然不是微內核的,但他把大部分的設備驅動處理成相對獨立的內核模塊,這樣減小了內核運行的開銷,增強了內核代碼的模塊獨立性。

    而且你還能從對內核源碼的分析中,體會到它在解決某個具體細節問題時,方法的巧妙:如后面將分析到了的Linux通過Botoom_half機制來加快系統對中斷的處理。

    最重要的是:在源碼的分析過程中,你將會被一點一點地、潛移默化地專業化。一個專業的程序員,總是把代碼的清晰性,兼容性,可移植性放在很重要的位置。他們總是通過定義大量的宏,來增強代碼的清晰度和可讀性,而又不增加編譯后的代碼長度和代碼的運行效率;他們總是在編碼的同時,就考慮到了以后的代碼維護和升級。 甚至,只要分析百分之一的代碼后,你就會深刻地體會到,什么樣的代碼才是一個專業的程序員寫的,什么樣的代碼是一個業余愛好者寫的。而這一點是任何沒有真正分析過標準代碼的人都無法體會到的。

    然而,由于內核代碼的冗長,和內核體系結構的龐雜,所以分析內核也是一個很艱難,很需要毅力的事;在缺乏指導和交流的情況下,尤其如此。只有方法正確,才能事半功倍。正是基于這種考慮,作者希望通過此文能給大家一些借鑒和啟迪。

    由于本人所進行的分析都是基于2.2.5版本的內核;所以,如果沒有特別說明,以下分析都是基于i386單處理器的2.2.5版本的Linux內核。所有源文件均是相對于目錄/usr/src/linux的。

      要分析Linux內核源碼,首先必須找到各個模塊的位置,也即要弄懂源碼的文件組織形式。雖然對于有經驗的高手而言,這個不是很難;但對于很多初級的Linux愛好者,和那些對源碼分析很有興趣但接觸不多的人來說,這還是很有必要的。

      1、Linux核心源程序通常都安裝在/usr/src/linux下,而且它有一個非常簡單的編號約定:任何偶數的核心(的二個數為偶數,例如2.0.30)都是一個穩定地發行的核心,而任何奇數的核心(例如2.1.42)都是一個開發中的核心。

      2、核心源程序的文件按樹形結構進行組織,在源程序樹的最上層,即目錄/usr/src/linux下有這樣一些目錄和文件。

      ◆ COPYING: GPL版權申明。對具有GPL版權的源代碼改動而形成的程序,或使用GPL工具產生的程序,具有使用GPL發表的義務,如公開源代碼。

      ◆ CREDITS: 光榮榜。對Linux做出過很大貢獻的一些人的信息。

      ◆ MAINTAINERS: 維護人員列表,對當前版本的內核各部分都有誰負責。

      ◆ Makefile: 第一個Makefile文件。用來組織內核的各模塊,記錄了個模塊間的相互這間的聯系和依托關系,編譯時使用;仔細閱讀各子目錄下的Makefile文件對弄清各個文件這間的聯系和依托關系很有幫助。

      ◆ ReadMe: 核心及其編譯配置方法簡單介紹。

      ◆ Rules.make: 各種Makefilemake所使用的一些共同規則。

      ◆ REPORTING-BUGS:有關報告Bug 的一些內容。

      ● Arch/ :arch子目錄包括了所有和體系結構相關的核心代碼。它的每一個子目錄都代表一種支持的體系結構,例如i386就是關于intel cpu及與之相兼容體系結構的子目錄。PC機一般都基于此目錄;

      ● Include/: include子目錄包括編譯核心所需要的大部分頭文件。與平臺無關的頭文件在 include/linux子目錄下,與 intel cpu相關的頭文件在include/asm-i386子目錄下,而include/scsi目錄則是有關scsi設備的頭文件目錄。

      ● Init/: 這個目錄包含核心的初始化代碼(注:不是系統的引導代碼),包含兩個文件main.c和Version.c,這是研究核心如何工作的好的起點之一。

      ● Mm/:這個目錄包括所有獨立于 cpu 體系結構的內存管理代碼,如頁式存儲管理內存的分配和釋放等;而和體系結構相關的內存管理代碼則位于arch/*/mm/,例如arch/i386/mm/Fault.c。

      ● Kernel/:主要的核心代碼,此目錄下的文件實現了大多數linux系統的內核函數,其中最重要的文件當屬sched.c;同樣,和體系結構相關的代碼在arch/*/kernel中。

      ● Drivers/: 放置系統所有的設備驅動程序;每種驅動程序又各占用一個子目錄:如,/block 下為塊設備驅動程序,比如ide (ide.c)。如果你希望查看所有可能包含文件系統的設備是如何初始化的,你可以看drivers/block/genhd.c中的 device_setup()。它不僅初始化硬盤,也初始化網絡,因為安裝nfs文件系統的時候需要網絡。

      ● Documentation/: 文檔目錄,沒有內核代碼,只是一套有用的文檔,可惜都是English的,看看應該有用的哦。 

    ● Fs/: 所有的文件系統代碼和各種類型的文件操作代碼,它的每一個子目錄支持一個文件系統, 例如fat和ext2。

      ● Ipc/: 這個目錄包含核心的進程間通訊的代碼。

      ● Lib/: 放置核心的庫代碼。

      ● Net/: 核心與網絡相關的代碼。

      ● Modules/: 模塊文件目錄,是個空目錄,用于存放編譯時產生的模塊目標文件。

      ● Scripts/: 描述文件,腳本,用于對核心的配置。

      一般,在每個子目錄下,都有一個 Makefile 和一個Readme 文件,仔細閱讀這兩個文件,對內核源碼的理解很有用。

      對Linux內核源碼的分析,有幾個很好的入口點:一個就是系統的引導和初始化,即從機器加電到系統核心的運行;另外一個就是系統調用,系統調用是用戶程序或操作調用核心所提供的功能的接口。對于那些對硬件比較熟悉的愛好者,從系統的引導入手進行分析,可能來的容易一些;而從系統調用下口,則可能更合適于那些在dos或Uinx、Linux下有過C編程經驗的高手。

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