10 張圖來(lái)探究Linux內(nèi)核，以及如何高效學(xué)習(xí)
[導(dǎo)讀]關(guān)注、星標(biāo)公眾號(hào)，直達(dá)精彩內(nèi)容來(lái)源|智傳網(wǎng)優(yōu)云課堂01前言本文主要講解什么是Linux內(nèi)核，以及通過(guò)多張圖片展示Linux內(nèi)核的作用與功能，以便于讀者能快速理解什么是Linux內(nèi)核，能看懂Linux內(nèi)核。擁有超過(guò)1300萬(wàn)行的代碼，Linux內(nèi)核是世界上最大的開(kāi)源項(xiàng)目之一，但是內(nèi)...
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01前言
本文主要講解什么是Linux內(nèi)核，以及通過(guò)多張圖片展示Linux內(nèi)核的作用與功能，以便于讀者能快速理解什么是Linux內(nèi)核，能看懂Linux內(nèi)核。
擁有超過(guò)1300萬(wàn)行的代碼，Linux內(nèi)核是世界上最大的開(kāi)源項(xiàng)目之一，但是內(nèi)核是什么，它用于什么?
02什么是內(nèi)核
內(nèi)核是與計(jì)算機(jī)硬件接口的易替換軟件的最低級(jí)別。它負(fù)責(zé)將所有以“用戶模式”運(yùn)行的應(yīng)用程序連接到物理硬件，并允許稱為服務(wù)器的進(jìn)程使用進(jìn)程間通信(IPC)彼此獲取信息。
03內(nèi)核還要分種類？
微內(nèi)核只管理它必須管理的東西:CPU、內(nèi)存和IPC。計(jì)算機(jī)中幾乎所有的東西都可以被看作是一個(gè)附件，并且可以在用戶模式下處理。微內(nèi)核具有可移植性的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橹灰僮飨到y(tǒng)仍然試圖以相同的方式訪問(wèn)硬件，就不必?fù)?dān)心您是否更改了視頻卡，甚至是操作系統(tǒng)。微內(nèi)核對(duì)內(nèi)存和安裝空間的占用也非常小，而且它們往往更安全，因?yàn)橹挥刑囟ǖ倪M(jìn)程在用戶模式下運(yùn)行，而用戶模式不具有管理員模式的高權(quán)限。
單內(nèi)核與微內(nèi)核相反，因?yàn)樗鼈儾粌H包含CPU、內(nèi)存和IPC，而且還包含設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)管理和系統(tǒng)服務(wù)器調(diào)用等內(nèi)容。單內(nèi)核更擅長(zhǎng)于訪問(wèn)硬件和多任務(wù)處理，因?yàn)槿绻粋€(gè)程序需要從內(nèi)存或運(yùn)行中的其他進(jìn)程中獲取信息，那么它就有一條更直接的線路來(lái)訪問(wèn)信息，而不需要在隊(duì)列中等待來(lái)完成任務(wù)。但是，這可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題，因?yàn)樵诠芾砟Ｊ较逻\(yùn)行的東西越多，如果行為不正常，就會(huì)有越多的東西導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
04混合的內(nèi)核
混合內(nèi)核能夠選擇在用戶模式下運(yùn)行什么，以及在管理模式下運(yùn)行什么。通常情況下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)I/O將在用戶模式下運(yùn)行，而IPC和服務(wù)器調(diào)用將保持在管理器模式下。這是兩全其美，但通常需要硬件制造商做更多的工作，因?yàn)樗序?qū)動(dòng)程序的責(zé)任都由他們來(lái)承擔(dān)。它還可能存在一些與微內(nèi)核固有的延遲問(wèn)題。
05Linux內(nèi)核文件在哪里
Ubuntu中的內(nèi)核文件存儲(chǔ)在/boot文件夾中，稱為vmlinux -version。vmlinuz這個(gè)名字來(lái)自于unix世界，早在60年代，他們就把內(nèi)核簡(jiǎn)單地稱為“unix”，所以當(dāng)內(nèi)核在90年代首次開(kāi)發(fā)時(shí)，Linux就開(kāi)始把內(nèi)核稱為“Linux”。
當(dāng)開(kāi)發(fā)虛擬內(nèi)存以便更容易地進(jìn)行多任務(wù)處理時(shí)，將“vm”放在文件的前面，以顯示內(nèi)核支持虛擬內(nèi)存。有一段時(shí)間，Linux內(nèi)核被稱為vmlinux，但是內(nèi)核變得太大，無(wú)法裝入可用的引導(dǎo)內(nèi)存，因此壓縮了內(nèi)核映像，并將末尾的x更改為z，以顯示它是用zlib壓縮的。并不總是使用相同的壓縮，通常用LZMA或BZIP2替換，一些內(nèi)核簡(jiǎn)單地稱為zImage。
版本號(hào)將采用A.B.C.格式D在。B可能是2.6,C是您的版本，D表示您的補(bǔ)丁或補(bǔ)丁。
在/boot文件夾中還有其他非常重要的文件，稱為initrd.img-version、system.map-version, config-version。initrd文件用作一個(gè)小RAM磁盤，用于提取和執(zhí)行實(shí)際的內(nèi)核文件。這個(gè)系統(tǒng)。map文件用于內(nèi)核完全加載之前的內(nèi)存管理，配置文件告訴內(nèi)核在編譯內(nèi)核映像時(shí)要加載哪些選項(xiàng)和模塊。
06Linux內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)
因?yàn)長(zhǎng)inux內(nèi)核是單片的，所以它比其他類型的內(nèi)核占用空間最大，復(fù)雜度也最高。這是一個(gè)設(shè)計(jì)特性，在Linux早期引起了相當(dāng)多的爭(zhēng)論，并且仍然帶有一些與單內(nèi)核固有的相同的設(shè)計(jì)缺陷。
為了解決這些缺陷，Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)人員所做的一件事就是使內(nèi)核模塊可以在運(yùn)行時(shí)加載和卸載，這意味著您可以動(dòng)態(tài)地添加或刪除內(nèi)核的特性。這不僅可以向內(nèi)核添加硬件功能，還可以包括運(yùn)行服務(wù)器進(jìn)程的模塊，比如低級(jí)別虛擬化，但也可以替換整個(gè)內(nèi)核，而不需要在某些情況下重啟計(jì)算機(jī)。
想象一下，如果您可以升級(jí)到Windows服務(wù)包，而不需要重新啟動(dòng)……
07內(nèi)核模塊
如果Windows已經(jīng)安裝了所有可用的驅(qū)動(dòng)程序，而您只需要打開(kāi)所需的驅(qū)動(dòng)程序怎么辦?這本質(zhì)上就是內(nèi)核模塊為L(zhǎng)inux所做的。內(nèi)核模塊，也稱為可加載內(nèi)核模塊(LKM)，對(duì)于保持內(nèi)核在不消耗所有可用內(nèi)存的情況下與所有硬件一起工作是必不可少的。
模塊通常向基本內(nèi)核添加設(shè)備、文件系統(tǒng)和系統(tǒng)調(diào)用等功能。lkm的文件擴(kuò)展名是.ko，通常存儲(chǔ)在/lib/modules目錄中。由于模塊的特性，您可以通過(guò)在啟動(dòng)時(shí)使用menuconfig命令將模塊設(shè)置為load或not load，或者通過(guò)編輯/boot/config文件，或者使用modprobe命令動(dòng)態(tài)地加載和卸載模塊，輕松定制內(nèi)核。
第三方和封閉源碼模塊在一些發(fā)行版中是可用的，比如Ubuntu，默認(rèn)情況下可能無(wú)法安裝，因?yàn)檫@些模塊的源代碼是不可用的。該軟件的開(kāi)發(fā)人員(即nVidia、ATI等)不提供源代碼，而是構(gòu)建自己的模塊并編譯所需的.ko文件以便分發(fā)。雖然這些模塊像beer一樣是免費(fèi)的，但它們不像speech那樣是免費(fèi)的，因此不包括在一些發(fā)行版中，因?yàn)榫S護(hù)人員認(rèn)為它通過(guò)提供非免費(fèi)軟件“污染”了內(nèi)核。
內(nèi)核并不神奇，但對(duì)于任何正常運(yùn)行的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，它都是必不可少的。Linux內(nèi)核不同于OS X和Windows，因?yàn)樗瑑?nèi)核級(jí)別的驅(qū)動(dòng)程序，并使許多東西“開(kāi)箱即用”。希望您能對(duì)軟件和硬件如何協(xié)同工作以及啟動(dòng)計(jì)算機(jī)所需的文件有更多的了解。
08Linux 內(nèi)核學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
開(kāi)篇
學(xué)習(xí)內(nèi)核，每個(gè)人都有自己的學(xué)習(xí)方法，仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智。以下是我在學(xué)習(xí)過(guò)程中總結(jié)出來(lái)的東西，對(duì)自身來(lái)說(shuō)，我認(rèn)為比較有效率，拿出來(lái)跟大家交流一下。
內(nèi)核學(xué)習(xí)，一偏之見(jiàn)；疏漏難免，懇請(qǐng)指正。
為什么寫這篇博客
剛開(kāi)始學(xué)內(nèi)核的時(shí)候，不要執(zhí)著于一個(gè)方面，不要專注于一個(gè)子系統(tǒng)就一頭扎到實(shí)際的代碼行中去，因?yàn)檫@樣的話，牽涉的面會(huì)很廣，會(huì)碰到很多困難，容易產(chǎn)生挫敗感，一個(gè)函數(shù)體中（假設(shè)剛開(kāi)始的時(shí)候正在學(xué)習(xí)某個(gè)方面的某個(gè)具體的功能函數(shù)）很可能摻雜著其他各個(gè)子系統(tǒng)方面設(shè)計(jì)理念（多是大量相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者全局變量，用于支撐該子系統(tǒng)的管理工作）下相應(yīng)的代碼實(shí)現(xiàn)，這個(gè)時(shí)候看到這些東西，紛繁蕪雜，是沒(méi)有頭緒而且很不理解的，會(huì)產(chǎn)生很多很多的疑問(wèn)，（這個(gè)時(shí)候如果對(duì)這些疑問(wèn)糾纏不清，刨根問(wèn)底，那么事實(shí)上就是在學(xué)習(xí)當(dāng)前子系統(tǒng)的過(guò)程中頻繁的去涉足其他子系統(tǒng)，這時(shí)候注意力就分散了），而事實(shí)上等了解了各個(gè)子系統(tǒng)后再回頭看這些東西的話，就簡(jiǎn)單多了，而且思路也會(huì)比較清晰。所以，要避免 “只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林”，不要急于深入到底層代碼中去，不要過(guò)早研究底層代碼。
我在大二的時(shí)候剛開(kāi)始接觸內(nèi)核，就犯了這個(gè)錯(cuò)誤，一頭扎到內(nèi)存管理里頭，去看非常底層的實(shí)現(xiàn)代碼，雖然也是建立在內(nèi)存管理的設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)，比較孤立，因?yàn)榇藭r(shí)并沒(méi)有學(xué)習(xí)其它子系統(tǒng)，應(yīng)該說(shuō)無(wú)論是視野還是思想，都比較狹隘，所以代碼中牽涉到的其它子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)我都直接跳過(guò)了，這一點(diǎn)還算聰明，當(dāng)然也是迫不得已的。
我的學(xué)習(xí)方法
剛開(kāi)始，我認(rèn)為主要的問(wèn)題在于你知道不知道，而不是理解不理解，某個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用了某種策略、方法，而你在學(xué)習(xí)中需要做的就是知道有這么一回事兒，然后才是理解所描述的策略或者方法。
根據(jù)自己的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，剛開(kāi)始學(xué)習(xí)內(nèi)核的時(shí)候，我認(rèn)為要做的是在自己的腦海中建立起內(nèi)核的大體框架，理解各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和構(gòu)建思想，這些理念和思想會(huì)從宏觀上呈獻(xiàn)給你清晰的脈絡(luò)，就像一個(gè)去除了枝枝葉葉的大樹(shù)的主干，一目了然；當(dāng)然，肯定還會(huì)涉及到具體的實(shí)現(xiàn)方法、函數(shù)，但是此時(shí)接觸到的函數(shù)或者方法位于內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的較高的層次，是主（要）函數(shù)，已經(jīng)了解到這些函數(shù)，針對(duì)的是哪些設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了什么樣的功能，達(dá)成了什么樣的目的，混個(gè)臉熟的說(shuō)法在這兒也是成立的。至于該主函數(shù)所調(diào)用的其它的輔助性函數(shù)就等同于枝枝葉葉了，不必太早就去深究。此時(shí)，也就初步建立起了內(nèi)核子系統(tǒng)框架和代碼實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)其實(shí)很簡(jiǎn)單，比如一看到某個(gè)函數(shù)名字，就想起這個(gè)函數(shù)是針對(duì)哪個(gè)子系統(tǒng)的，實(shí)現(xiàn)了什么功能。
我認(rèn)為此時(shí)要看的就是LKD3，這本書算是泛泛而談，主要就是從概念，設(shè)計(jì)，大的實(shí)現(xiàn)方法上描述各個(gè)子系統(tǒng)，而對(duì)于具體的相關(guān)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的代碼講解很少涉及(對(duì)比于ULK3，此書主要就是關(guān)于具體函數(shù)代碼的具體實(shí)現(xiàn)的深入分析，當(dāng)然，你也可以看，但是過(guò)早看這本書，會(huì)感覺(jué)很痛苦，很枯燥無(wú)味，基本上都是函數(shù)的實(shí)現(xiàn))，很少，但不是沒(méi)有，這就很好，滿足我們當(dāng)前的需求，還避免我們過(guò)早深入到實(shí)際的代碼中去。而且本書在一些重要的點(diǎn)上還給出了寫程序時(shí)的注意事項(xiàng)，算是指導(dǎo)性建議。主要的子系統(tǒng)包括：內(nèi)存管理，進(jìn)程管理和調(diào)度，系統(tǒng)調(diào)用，中斷和異常，內(nèi)核同步，時(shí)間和定時(shí)器管理，虛擬文件系統(tǒng)，塊I/O層，設(shè)備和模塊。（這里的先后順序其實(shí)就是LKD3的目錄的順序）。
我學(xué)習(xí)的時(shí)候是三本書交叉著看的，先看LKD3，專于一個(gè)子系統(tǒng)，主要就是了解設(shè)計(jì)的原理和思想，當(dāng)然也會(huì)碰到對(duì)一些主要函數(shù)的介紹，但大多就是該函數(shù)基于前面介紹的思想和原理完成了什么樣的功能，該書并沒(méi)有就函數(shù)本身的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入剖析。然后再看ULK3和PLKA上看同樣的子系統(tǒng)，但是并不仔細(xì)分析底層具體函數(shù)的代碼，只是粗略地、不求甚解地看，甚至不看。因?yàn)?，有些時(shí)候，在其中一本書的某個(gè)點(diǎn)上，卡殼了，不是很理解了，在另外的書上你可能就碰到對(duì)同一個(gè)問(wèn)題的不同角度的描述，說(shuō)不準(zhǔn)哪句話就能讓你豁然開(kāi)朗，如醍醐灌頂。我經(jīng)常碰到這種情況。
并不是說(shuō)學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)一些函數(shù)體的實(shí)現(xiàn)完全就忽略掉，只要自己想徹底了解其代碼實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有誰(shuí)會(huì)阻止你。我是在反復(fù)閱讀過(guò)程中慢慢深入的。比如VFS中文件打開(kāi)需要對(duì)路徑進(jìn)行分析，需要考慮的細(xì)節(jié)不少(.././之類的)，但是其代碼實(shí)現(xiàn)是很好理解的。再比如，CFS調(diào)度中根據(jù)shedule latency、隊(duì)列中進(jìn)程個(gè)數(shù)及其nice值(使用的是動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí))計(jì)算出分配給進(jìn)程的時(shí)間片，沒(méi)理由不看的，這個(gè)太重要了，而且也很有意思。
ULK3也會(huì)有設(shè)計(jì)原理與思想之類的概括性介紹，基本上都位于某個(gè)主題的開(kāi)篇段落。但是更多的是對(duì)支持該原理和思想的主要函數(shù)實(shí)現(xiàn)的具體分析，同樣在首段，一句話綜述函數(shù)的功能，然后對(duì)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)以1、2、3，或者a、b、c步驟的形式進(jìn)行講解。我只是有選擇性的看，有時(shí)候?qū)φ罩胹ource insight打開(kāi)的源碼，確認(rèn)一下代碼大體上確實(shí)是按書中所描述的步驟實(shí)現(xiàn)的，就當(dāng)是增加感性認(rèn)識(shí)。由于步驟中摻雜著各種針對(duì)不同實(shí)現(xiàn)目的安全性、有效性檢查，如果不理解就先跳過(guò)。這并不妨礙你對(duì)函數(shù)體功能實(shí)現(xiàn)的整體把握。
PLKA介于LKD3和ULK3之間。我覺(jué)得PLKA的作者（看照片，真一德國(guó)帥小伙，技術(shù)如此了得）肯定看過(guò)ULK，無(wú)論他的本意還是有意，總之PLKA還是跟ULK有所不同，對(duì)函數(shù)的仔細(xì)講解都做補(bǔ)充說(shuō)明，去掉函數(shù)體中邊邊角角的情況，比如一些特殊情況的處理，有效性檢查等，而不妨礙對(duì)整個(gè)函數(shù)體功能的理解，這些他都有所交代，做了聲明；而且，就像LKD3一樣，在某些點(diǎn)上也給出了指導(dǎo)性編程建議。作者們甚至對(duì)同一個(gè)主要函數(shù)的講解的著重點(diǎn)都不一樣。這樣的話，對(duì)我們學(xué)習(xí)的人而言，有助于加深理解。另外，我認(rèn)為很重要的一點(diǎn)就是PLKA針對(duì)的2.6.24的內(nèi)核版本，而ULK是2.6.11，LKD3是2.6.34。在某些方面PLKA比較接近現(xiàn)代的實(shí)現(xiàn)。其實(shí)作者們之所以分別選擇11或者24，都是因?yàn)樵诎姹景l(fā)行樹(shù)中，這兩個(gè)版本在某些方面都做了不小的變動(dòng)，或者說(shuō)是具有標(biāo)志性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（這些信息大多是在書中的引言部分介紹的，具體的細(xì)節(jié)我想不起來(lái)了）。
Intel V3，針對(duì)X86的CPU，本書自然是系統(tǒng)編程的權(quán)威。內(nèi)核部分實(shí)現(xiàn)都可以在本書找到其根源。所以，在讀以上三本書某個(gè)子系統(tǒng)的時(shí)候，不要忘記可以在V3中相應(yīng)章節(jié)找到一些基礎(chǔ)性支撐信息。
在讀書過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的疑問(wèn)，這一點(diǎn)是確信無(wú)疑的。大到搞不明白一個(gè)設(shè)計(jì)思想，小到不理解某行代碼的用途。各個(gè)方面，各種疑問(wèn)，你完全可以把不理解的地方都記錄下來(lái)(不過(guò)，我并沒(méi)有這么做，沒(méi)有把疑問(wèn)全部記下來(lái)，只標(biāo)記了很少一部分我認(rèn)為很關(guān)鍵的幾個(gè)問(wèn)題)，專門寫到一張紙上，不對(duì)，一個(gè)本上，我確信會(huì)產(chǎn)生這么多的疑問(wèn)，不然內(nèi)核相關(guān)的論壇早就可以關(guān)閉了。其實(shí)，大部分的問(wèn)題（其中很多問(wèn)題都是你知道不知道有這么一回事的問(wèn)題）都可以迎刃而解，只要你肯回頭再看，書讀百遍，其義自現(xiàn)。多看幾遍，前前后后的聯(lián)系明白個(gè)七七八八是沒(méi)有問(wèn)題的。我也這么做了，針對(duì)某些子系統(tǒng)也看了好幾遍，切身體會(huì)。
當(dāng)你按順序?qū)W習(xí)這些子系統(tǒng)的時(shí)候，前面的章節(jié)很可能會(huì)引用后面的章節(jié)，就像PLKA的作者說(shuō)的那樣，完全沒(méi)有向后引用是不可能的，他能做的只是盡量減少這種引用而又不損害你對(duì)當(dāng)前問(wèn)題的理解。不理解，沒(méi)關(guān)系，跳過(guò)就行了。后面的章節(jié)同樣會(huì)有向前章節(jié)的引用，不過(guò)這個(gè)問(wèn)題就簡(jiǎn)單一些了 ?，你可以再回頭去看相應(yīng)的介紹，當(dāng)時(shí)你不太理解的東西，很可能這個(gè)時(shí)候就知道了它的設(shè)計(jì)的目的以及具體的應(yīng)用。不求甚解只是暫時(shí)的。比如說(shuō)，內(nèi)核各個(gè)子系統(tǒng)之間的交互和引用在代碼中的體現(xiàn)就是實(shí)現(xiàn)函數(shù)穿插調(diào)用，比如你在內(nèi)存管理章節(jié)學(xué)習(xí)了的內(nèi)存分配和釋放的函數(shù)，而你是了解內(nèi)存在先的，在學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)或者模塊的時(shí)候就會(huì)碰到這些函數(shù)的調(diào)用，這樣也就比較容易接受，不至于太過(guò)茫然；再比如，你了解了系統(tǒng)時(shí)間和定時(shí)器的管理，再回頭看中斷和異常中bottom half的調(diào)度實(shí)現(xiàn)，你對(duì)它的理解就會(huì)加深一層。
子系統(tǒng)進(jìn)行管理工作需要大量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。子系統(tǒng)之間交互的一種方式就是各個(gè)子系統(tǒng)各自的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過(guò)指針成員相互引用。學(xué)習(xí)過(guò)程中，參考書上在講解某個(gè)子系統(tǒng)的時(shí)候會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中主要成員的用途解釋一下，但肯定不會(huì)覆蓋全部（成員比較多的情況，例如task_struct），對(duì)其它子系統(tǒng)基于某個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的引用可能解釋了，也可能沒(méi)做解釋，還可能說(shuō)這個(gè)變量在何處會(huì)做進(jìn)一步說(shuō)明。所以，不要糾結(jié)于一個(gè)不理解的點(diǎn)上，暫且放過(guò)，回頭還可以看的。之間的聯(lián)系可以在對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)都有所了解之后再建立起來(lái)。其實(shí)，我仍然在強(qiáng)調(diào)先理解概念和框架的重要性。
等我們完成了建立框架這一步，就可以選擇一個(gè)比較感興趣的子系統(tǒng)，比如驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)，或者文件系統(tǒng)之類的。這個(gè)時(shí)候你再去深入了解底層代碼實(shí)現(xiàn)，相較于一開(kāi)始就鉆研代碼，更容易一些，而且碰到了不解之處，或者忘記了某個(gè)方面的實(shí)現(xiàn)，此時(shí)你完全可以找到相應(yīng)的子系統(tǒng)，因?yàn)槟阒涝谀娜フ?，查漏補(bǔ)缺，不僅完成了對(duì)當(dāng)前函數(shù)的鉆研，而且可以回顧、溫習(xí)以前的內(nèi)容，融會(huì)貫通的時(shí)機(jī)就在這里了。
《深入理解linux虛擬內(nèi)存》(2.4內(nèi)核版本)，LDD3，《深入理解linux網(wǎng)絡(luò)技術(shù)內(nèi)幕》，幾乎每一個(gè)子系統(tǒng)都需要一本書的容量去講解，所以說(shuō)，剛開(kāi)始學(xué)習(xí)不宜對(duì)某個(gè)模塊太過(guò)深入，等對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)都有所了解了，再有針對(duì)性的去學(xué)習(xí)一個(gè)特定的子系統(tǒng)。這時(shí)候?qū)ζ渌到y(tǒng)的援引都可以讓我們不再感到茫然、復(fù)雜，不知所云。
比如，LDD3中的以下所列章節(jié)：構(gòu)造和運(yùn)行模塊，并發(fā)和競(jìng)態(tài)，時(shí)間、延遲及延緩操作,分配內(nèi)存，中斷處理等，都屬于驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的支撐性子系統(tǒng)，雖說(shuō)本書對(duì)這些子系統(tǒng)都專門開(kāi)辟一個(gè)章節(jié)進(jìn)行講解，但是詳細(xì)程度怎么能比得上PLKA，ULK3，LKD3這三本書，看完這三本書，你會(huì)發(fā)現(xiàn)讀LDD3這些章節(jié)的時(shí)候簡(jiǎn)直跟喝白開(kāi)水一樣，太隨意了，因?yàn)長(zhǎng)DD3的講解比之LKD3更粗略。打好了基礎(chǔ)，PCI、USB、TTY驅(qū)動(dòng)，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，需要了解和學(xué)習(xí)的東西就比較有針對(duì)性了。這些子系統(tǒng)就屬于通用子系統(tǒng)，了解之后，基于這些子系統(tǒng)的子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)—驅(qū)動(dòng)(需進(jìn)一步針對(duì)硬件特性)和網(wǎng)絡(luò)(需進(jìn)一步理解各種協(xié)議)—相對(duì)而言，其學(xué)習(xí)難度大大降低，學(xué)習(xí)進(jìn)度大大加快，學(xué)習(xí)效率大大提升。說(shuō)著容易做來(lái)難。達(dá)到這樣一種效果的前提就是：必須得靜下心來(lái)，認(rèn)真讀書，要看得進(jìn)去，PLKA，ULK3厚得都跟磚頭塊兒一樣，令人望之生畏，如果沒(méi)有興趣，沒(méi)有熱情，沒(méi)有毅力，無(wú)論如何都是不行，因?yàn)樾枰獣r(shí)間，需要很長(zhǎng)時(shí)間。我并不是說(shuō)必須打好了基礎(chǔ)才可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，只是說(shuō)打好了基礎(chǔ)的情況下進(jìn)行開(kāi)發(fā)會(huì)更輕松，更有效率，而且自己對(duì)內(nèi)核代碼的駕馭能力會(huì)更強(qiáng)大。這只是我個(gè)人見(jiàn)解，我自己的學(xué)習(xí)方式，僅供參考。
語(yǔ)言
PLKA是個(gè)德國(guó)人用德語(yǔ)寫的，后來(lái)翻譯成英文，又從英文翻譯成中文，我在網(wǎng)上書店里沒(méi)有找到它的紙質(zhì)英文版，所以就買了中文版的。ULK3和LKD3都是英文版的。大牛們寫的書，遣詞造句真的是簡(jiǎn)潔，易懂，看原版對(duì)我們學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程的程序員來(lái)說(shuō)完全不成問(wèn)題，最好原汁原味。如果一本書確實(shí)翻譯地很好，我們當(dāng)然可以看中文版的，用母語(yǔ)進(jìn)行學(xué)習(xí)，理解速度和學(xué)習(xí)進(jìn)度當(dāng)然是很快的，不作他想?？从⑽牡臅r(shí)候不要腦子里想著把他翻譯成中文，沒(méi)必要。
API感想
“比起知道你所用技術(shù)的重要性，成為某一個(gè)特別領(lǐng)域的專家是不重要的。知道某一個(gè)具體API調(diào)用一點(diǎn)好處都沒(méi)有，當(dāng)你需要他的時(shí)候只要查詢下就好了。”這句話源于我看到的一篇翻譯過(guò)來(lái)的博客。我想強(qiáng)調(diào)的就是，這句話針應(yīng)用型編程再合適不過(guò)，但是內(nèi)核API就不完全如此。
內(nèi)核相當(dāng)復(fù)雜，學(xué)習(xí)起來(lái)很不容易，但是當(dāng)你學(xué)習(xí)到一定程度，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果自己打算寫內(nèi)核代碼，到最后要關(guān)注的仍然是API接口，只不過(guò)這些API絕大部分是跨平臺(tái)的，滿足可移植性。內(nèi)核黑客基本上已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、文檔化了這些接口，你所要做的只是調(diào)用而已。當(dāng)然，在使用的時(shí)候，最好對(duì)可移植性這一話題在內(nèi)核中的編碼約定爛熟于心，這樣才會(huì)寫出可移植性的代碼。就像應(yīng)用程序一樣，可以使用開(kāi)發(fā)商提供的動(dòng)態(tài)庫(kù)API，或者使用開(kāi)源API。同樣是調(diào)用API，不同點(diǎn)在于使用內(nèi)核API要比使用應(yīng)用API了解的東西要多出許多。
當(dāng)你了解了操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)—這些實(shí)現(xiàn)可都是對(duì)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)性支撐啊—你再去寫應(yīng)用程序的時(shí)候，應(yīng)用程序中用到的多線程，定時(shí)器，同步鎖機(jī)制等等等等，使用共享庫(kù)API的時(shí)候，聯(lián)系到操作系統(tǒng)，從而把對(duì)該API的文檔描述同自己所了解到的這些方面在內(nèi)核中的相應(yīng)支撐性實(shí)現(xiàn)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行考慮，這會(huì)指導(dǎo)你選擇使用哪一個(gè)API接口，選出效率最高的實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)系統(tǒng)編程頗有了解的話，對(duì)應(yīng)用編程不無(wú)益處，甚至可以說(shuō)是大有好處。
設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的本質(zhì)，知道還是理解
操作系統(tǒng)是介于底層硬件和應(yīng)用軟件之間的接口，其各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)很大程度上依賴于硬件特性。書上介紹這些子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，我們讀過(guò)了，也就知道了，如果再深入考慮一下，為什么整體架構(gòu)要按照這種方式組織，為什么局部函數(shù)要遵循這樣的步驟處理，知其然，知其所以然，如果你知道了某個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)是因?yàn)樾酒褪沁@么設(shè)計(jì)的，CPU就是這么做的，那么你的疑問(wèn)也就基本上到此為止了。再深究，就是芯片架構(gòu)方面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)于程序員來(lái)講，無(wú)論是系統(tǒng)還是應(yīng)用程序員，足跡探究到這里，已經(jīng)解決了很多疑問(wèn)，因?yàn)槲覀兊墓ぷ餍再|(zhì)偏軟，而這些東西實(shí)在是夠硬。
比如，ULK3中講解的中斷和異常的實(shí)現(xiàn)，究其根源，那是因?yàn)镮ntel x86系列就是這么設(shè)計(jì)的，去看看Intel V3手冊(cè)中相應(yīng)章節(jié)介紹，都可以為ULK3中描述的代碼實(shí)現(xiàn)方式找到注解。還有時(shí)間和定時(shí)器管理，同樣可以在Intel V3 ?對(duì)APIC的介紹中獲取足夠的信息，操作系統(tǒng)就是依據(jù)這些硬件特性來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件方法定義的。
又是那句話，不是理解不理解的問(wèn)題，而是知道不知道的問(wèn)題。有時(shí)候，知道了，就理解了。在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，知道，理解，知道，理解，知道……，交叉反復(fù)。為什么開(kāi)始和結(jié)尾都是知道，而理解只是中間步驟呢？世界上萬(wàn)事萬(wàn)物自有其規(guī)律，人類只是發(fā)現(xiàn)而已，實(shí)踐是第一位的，實(shí)踐就是知道的過(guò)程，實(shí)踐產(chǎn)生經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)就是理論，理論源于實(shí)踐，理論才需要理解。我們學(xué)習(xí)內(nèi)核，深入研究，搞來(lái)搞去，又回到了芯片上，芯片是物質(zhì)的，芯片的功用基于自然界中物質(zhì)本有的物理和電子特性。追本溯源，此之謂也。
動(dòng)手寫代碼
紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行。只看書是絕對(duì)不行的，一定要結(jié)合課本給出的編程建議自己敲代碼。剛開(kāi)始就以模塊形式測(cè)試好了，或者自己編譯一個(gè)開(kāi)發(fā)版本的內(nèi)核。一臺(tái)機(jī)器的話，使用UML方式調(diào)試，內(nèi)核控制路走到哪一步，單步調(diào)試看看程序執(zhí)行過(guò)程，比書上的講解更直觀明了。一定要?jiǎng)邮謱?shí)際操作。
參考書LDD3? ? ? ? ? Linux Device Driver 3rdLKD3? ? ? ? ? Linux Kernel Development 3rdULK3? ? ? ? ? Understanding the Linux Kernel 3rdPLKA? ? ? ? ? Professional Linux Kernel ArchitectureUML? ? ? ? ? ? User Mode LinuxIntel V3? ? ? ?Intel? 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual ?Volume 3 (3A, 3B
來(lái)源 | 智傳網(wǎng)優(yōu)云課堂
01前言
本文主要講解什么是Linux內(nèi)核，以及通過(guò)多張圖片展示Linux內(nèi)核的作用與功能，以便于讀者能快速理解什么是Linux內(nèi)核，能看懂Linux內(nèi)核。
擁有超過(guò)1300萬(wàn)行的代碼，Linux內(nèi)核是世界上最大的開(kāi)源項(xiàng)目之一，但是內(nèi)核是什么，它用于什么?
02什么是內(nèi)核
內(nèi)核是與計(jì)算機(jī)硬件接口的易替換軟件的最低級(jí)別。它負(fù)責(zé)將所有以“用戶模式”運(yùn)行的應(yīng)用程序連接到物理硬件，并允許稱為服務(wù)器的進(jìn)程使用進(jìn)程間通信(IPC)彼此獲取信息。
03內(nèi)核還要分種類？
是的，沒(méi)錯(cuò)。
3.1 微內(nèi)核
微內(nèi)核只管理它必須管理的東西:CPU、內(nèi)存和IPC。計(jì)算機(jī)中幾乎所有的東西都可以被看作是一個(gè)附件，并且可以在用戶模式下處理。微內(nèi)核具有可移植性的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橹灰僮飨到y(tǒng)仍然試圖以相同的方式訪問(wèn)硬件，就不必?fù)?dān)心您是否更改了視頻卡，甚至是操作系統(tǒng)。微內(nèi)核對(duì)內(nèi)存和安裝空間的占用也非常小，而且它們往往更安全，因?yàn)橹挥刑囟ǖ倪M(jìn)程在用戶模式下運(yùn)行，而用戶模式不具有管理員模式的高權(quán)限。
3.1.1 Pros
- 可移植性
- 安裝占用空間小
- 小內(nèi)存占用
- 安全
3.1.2 Cons
- 通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序，硬件更加抽象
- 硬件可能反應(yīng)較慢，因?yàn)轵?qū)動(dòng)程序處于用戶模式
- 進(jìn)程必須在隊(duì)列中等待才能獲得信息
- 進(jìn)程不能在不等待的情況下訪問(wèn)其他進(jìn)程
3.2 單內(nèi)核
單內(nèi)核與微內(nèi)核相反，因?yàn)樗鼈儾粌H包含CPU、內(nèi)存和IPC，而且還包含設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)管理和系統(tǒng)服務(wù)器調(diào)用等內(nèi)容。單內(nèi)核更擅長(zhǎng)于訪問(wèn)硬件和多任務(wù)處理，因?yàn)槿绻粋€(gè)程序需要從內(nèi)存或運(yùn)行中的其他進(jìn)程中獲取信息，那么它就有一條更直接的線路來(lái)訪問(wèn)信息，而不需要在隊(duì)列中等待來(lái)完成任務(wù)。但是，這可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題，因?yàn)樵诠芾砟Ｊ较逻\(yùn)行的東西越多，如果行為不正常，就會(huì)有越多的東西導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
3.2.1 Pros
- 更直接地訪問(wèn)程序的硬件
- 流程之間更容易通信
- 如果支持您的設(shè)備，它應(yīng)該不需要額外安裝就可以工作
- 進(jìn)程反應(yīng)更快，因?yàn)闆](méi)有等待處理器時(shí)間的隊(duì)列
3.2.2 Cons
- 較大安裝體積
- 較大內(nèi)存占用
- 不太安全，因?yàn)樗胁僮鞫荚诠芾砟Ｊ较逻\(yùn)行
04混合的內(nèi)核
混合內(nèi)核能夠選擇在用戶模式下運(yùn)行什么，以及在管理模式下運(yùn)行什么。通常情況下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)I/O將在用戶模式下運(yùn)行，而IPC和服務(wù)器調(diào)用將保持在管理器模式下。這是兩全其美，但通常需要硬件制造商做更多的工作，因?yàn)樗序?qū)動(dòng)程序的責(zé)任都由他們來(lái)承擔(dān)。它還可能存在一些與微內(nèi)核固有的延遲問(wèn)題。
4.1 Pros
- 開(kāi)發(fā)人員可以選擇什么在用戶模式下運(yùn)行，什么在管理模式下運(yùn)行
- 比單片內(nèi)核更小的安裝占用空間
- 比其他型號(hào)更靈活
4.2 Cons
- 會(huì)遭受與微內(nèi)核相同的進(jìn)程延遲
- 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要由用戶管理(通常)
Ubuntu中的內(nèi)核文件存儲(chǔ)在/boot文件夾中，稱為vmlinux -version。vmlinuz這個(gè)名字來(lái)自于unix世界，早在60年代，他們就把內(nèi)核簡(jiǎn)單地稱為“unix”，所以當(dāng)內(nèi)核在90年代首次開(kāi)發(fā)時(shí)，Linux就開(kāi)始把內(nèi)核稱為“Linux”。
當(dāng)開(kāi)發(fā)虛擬內(nèi)存以便更容易地進(jìn)行多任務(wù)處理時(shí)，將“vm”放在文件的前面，以顯示內(nèi)核支持虛擬內(nèi)存。有一段時(shí)間，Linux內(nèi)核被稱為vmlinux，但是內(nèi)核變得太大，無(wú)法裝入可用的引導(dǎo)內(nèi)存，因此壓縮了內(nèi)核映像，并將末尾的x更改為z，以顯示它是用zlib壓縮的。并不總是使用相同的壓縮，通常用LZMA或BZIP2替換，一些內(nèi)核簡(jiǎn)單地稱為zImage。
版本號(hào)將采用A.B.C.格式D在。B可能是2.6,C是您的版本，D表示您的補(bǔ)丁或補(bǔ)丁。
在/boot文件夾中還有其他非常重要的文件，稱為initrd.img-version、system.map-version, config-version。initrd文件用作一個(gè)小RAM磁盤，用于提取和執(zhí)行實(shí)際的內(nèi)核文件。這個(gè)系統(tǒng)。map文件用于內(nèi)核完全加載之前的內(nèi)存管理，配置文件告訴內(nèi)核在編譯內(nèi)核映像時(shí)要加載哪些選項(xiàng)和模塊。
06Linux內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)
因?yàn)長(zhǎng)inux內(nèi)核是單片的，所以它比其他類型的內(nèi)核占用空間最大，復(fù)雜度也最高。這是一個(gè)設(shè)計(jì)特性，在Linux早期引起了相當(dāng)多的爭(zhēng)論，并且仍然帶有一些與單內(nèi)核固有的相同的設(shè)計(jì)缺陷。
為了解決這些缺陷，Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)人員所做的一件事就是使內(nèi)核模塊可以在運(yùn)行時(shí)加載和卸載，這意味著您可以動(dòng)態(tài)地添加或刪除內(nèi)核的特性。這不僅可以向內(nèi)核添加硬件功能，還可以包括運(yùn)行服務(wù)器進(jìn)程的模塊，比如低級(jí)別虛擬化，但也可以替換整個(gè)內(nèi)核，而不需要在某些情況下重啟計(jì)算機(jī)。
想象一下，如果您可以升級(jí)到Windows服務(wù)包，而不需要重新啟動(dòng)……
07內(nèi)核模塊
如果Windows已經(jīng)安裝了所有可用的驅(qū)動(dòng)程序，而您只需要打開(kāi)所需的驅(qū)動(dòng)程序怎么辦?這本質(zhì)上就是內(nèi)核模塊為L(zhǎng)inux所做的。內(nèi)核模塊，也稱為可加載內(nèi)核模塊(LKM)，對(duì)于保持內(nèi)核在不消耗所有可用內(nèi)存的情況下與所有硬件一起工作是必不可少的。
模塊通常向基本內(nèi)核添加設(shè)備、文件系統(tǒng)和系統(tǒng)調(diào)用等功能。lkm的文件擴(kuò)展名是.ko，通常存儲(chǔ)在/lib/modules目錄中。由于模塊的特性，您可以通過(guò)在啟動(dòng)時(shí)使用menuconfig命令將模塊設(shè)置為load或not load，或者通過(guò)編輯/boot/config文件，或者使用modprobe命令動(dòng)態(tài)地加載和卸載模塊，輕松定制內(nèi)核。
第三方和封閉源碼模塊在一些發(fā)行版中是可用的，比如Ubuntu，默認(rèn)情況下可能無(wú)法安裝，因?yàn)檫@些模塊的源代碼是不可用的。該軟件的開(kāi)發(fā)人員(即nVidia、ATI等)不提供源代碼，而是構(gòu)建自己的模塊并編譯所需的.ko文件以便分發(fā)。雖然這些模塊像beer一樣是免費(fèi)的，但它們不像speech那樣是免費(fèi)的，因此不包括在一些發(fā)行版中，因?yàn)榫S護(hù)人員認(rèn)為它通過(guò)提供非免費(fèi)軟件“污染”了內(nèi)核。
內(nèi)核并不神奇，但對(duì)于任何正常運(yùn)行的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，它都是必不可少的。Linux內(nèi)核不同于OS X和Windows，因?yàn)樗瑑?nèi)核級(jí)別的驅(qū)動(dòng)程序，并使許多東西“開(kāi)箱即用”。希望您能對(duì)軟件和硬件如何協(xié)同工作以及啟動(dòng)計(jì)算機(jī)所需的文件有更多的了解。
08Linux 內(nèi)核學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
開(kāi)篇
學(xué)習(xí)內(nèi)核，每個(gè)人都有自己的學(xué)習(xí)方法，仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智。以下是我在學(xué)習(xí)過(guò)程中總結(jié)出來(lái)的東西，對(duì)自身來(lái)說(shuō)，我認(rèn)為比較有效率，拿出來(lái)跟大家交流一下。
內(nèi)核學(xué)習(xí)，一偏之見(jiàn)；疏漏難免，懇請(qǐng)指正。
為什么寫這篇博客
剛開(kāi)始學(xué)內(nèi)核的時(shí)候，不要執(zhí)著于一個(gè)方面，不要專注于一個(gè)子系統(tǒng)就一頭扎到實(shí)際的代碼行中去，因?yàn)檫@樣的話，牽涉的面會(huì)很廣，會(huì)碰到很多困難，容易產(chǎn)生挫敗感，一個(gè)函數(shù)體中（假設(shè)剛開(kāi)始的時(shí)候正在學(xué)習(xí)某個(gè)方面的某個(gè)具體的功能函數(shù)）很可能摻雜著其他各個(gè)子系統(tǒng)方面設(shè)計(jì)理念（多是大量相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者全局變量，用于支撐該子系統(tǒng)的管理工作）下相應(yīng)的代碼實(shí)現(xiàn)，這個(gè)時(shí)候看到這些東西，紛繁蕪雜，是沒(méi)有頭緒而且很不理解的，會(huì)產(chǎn)生很多很多的疑問(wèn)，（這個(gè)時(shí)候如果對(duì)這些疑問(wèn)糾纏不清，刨根問(wèn)底，那么事實(shí)上就是在學(xué)習(xí)當(dāng)前子系統(tǒng)的過(guò)程中頻繁的去涉足其他子系統(tǒng)，這時(shí)候注意力就分散了），而事實(shí)上等了解了各個(gè)子系統(tǒng)后再回頭看這些東西的話，就簡(jiǎn)單多了，而且思路也會(huì)比較清晰。所以，要避免 “只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林”，不要急于深入到底層代碼中去，不要過(guò)早研究底層代碼。
我在大二的時(shí)候剛開(kāi)始接觸內(nèi)核，就犯了這個(gè)錯(cuò)誤，一頭扎到內(nèi)存管理里頭，去看非常底層的實(shí)現(xiàn)代碼，雖然也是建立在內(nèi)存管理的設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)，比較孤立，因?yàn)榇藭r(shí)并沒(méi)有學(xué)習(xí)其它子系統(tǒng)，應(yīng)該說(shuō)無(wú)論是視野還是思想，都比較狹隘，所以代碼中牽涉到的其它子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)我都直接跳過(guò)了，這一點(diǎn)還算聰明，當(dāng)然也是迫不得已的。
我的學(xué)習(xí)方法
剛開(kāi)始，我認(rèn)為主要的問(wèn)題在于你知道不知道，而不是理解不理解，某個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用了某種策略、方法，而你在學(xué)習(xí)中需要做的就是知道有這么一回事兒，然后才是理解所描述的策略或者方法。
根據(jù)自己的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，剛開(kāi)始學(xué)習(xí)內(nèi)核的時(shí)候，我認(rèn)為要做的是在自己的腦海中建立起內(nèi)核的大體框架，理解各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和構(gòu)建思想，這些理念和思想會(huì)從宏觀上呈獻(xiàn)給你清晰的脈絡(luò)，就像一個(gè)去除了枝枝葉葉的大樹(shù)的主干，一目了然；當(dāng)然，肯定還會(huì)涉及到具體的實(shí)現(xiàn)方法、函數(shù)，但是此時(shí)接觸到的函數(shù)或者方法位于內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的較高的層次，是主（要）函數(shù)，已經(jīng)了解到這些函數(shù)，針對(duì)的是哪些設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了什么樣的功能，達(dá)成了什么樣的目的，混個(gè)臉熟的說(shuō)法在這兒也是成立的。至于該主函數(shù)所調(diào)用的其它的輔助性函數(shù)就等同于枝枝葉葉了，不必太早就去深究。此時(shí)，也就初步建立起了內(nèi)核子系統(tǒng)框架和代碼實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)其實(shí)很簡(jiǎn)單，比如一看到某個(gè)函數(shù)名字，就想起這個(gè)函數(shù)是針對(duì)哪個(gè)子系統(tǒng)的，實(shí)現(xiàn)了什么功能。
我認(rèn)為此時(shí)要看的就是LKD3，這本書算是泛泛而談，主要就是從概念，設(shè)計(jì)，大的實(shí)現(xiàn)方法上描述各個(gè)子系統(tǒng)，而對(duì)于具體的相關(guān)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的代碼講解很少涉及(對(duì)比于ULK3，此書主要就是關(guān)于具體函數(shù)代碼的具體實(shí)現(xiàn)的深入分析，當(dāng)然，你也可以看，但是過(guò)早看這本書，會(huì)感覺(jué)很痛苦，很枯燥無(wú)味，基本上都是函數(shù)的實(shí)現(xiàn))，很少，但不是沒(méi)有，這就很好，滿足我們當(dāng)前的需求，還避免我們過(guò)早深入到實(shí)際的代碼中去。而且本書在一些重要的點(diǎn)上還給出了寫程序時(shí)的注意事項(xiàng)，算是指導(dǎo)性建議。主要的子系統(tǒng)包括：內(nèi)存管理，進(jìn)程管理和調(diào)度，系統(tǒng)調(diào)用，中斷和異常，內(nèi)核同步，時(shí)間和定時(shí)器管理，虛擬文件系統(tǒng)，塊I/O層，設(shè)備和模塊。（這里的先后順序其實(shí)就是LKD3的目錄的順序）。
我學(xué)習(xí)的時(shí)候是三本書交叉著看的，先看LKD3，專于一個(gè)子系統(tǒng)，主要就是了解設(shè)計(jì)的原理和思想，當(dāng)然也會(huì)碰到對(duì)一些主要函數(shù)的介紹，但大多就是該函數(shù)基于前面介紹的思想和原理完成了什么樣的功能，該書并沒(méi)有就函數(shù)本身的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入剖析。然后再看ULK3和PLKA上看同樣的子系統(tǒng)，但是并不仔細(xì)分析底層具體函數(shù)的代碼，只是粗略地、不求甚解地看，甚至不看。因?yàn)?，有些時(shí)候，在其中一本書的某個(gè)點(diǎn)上，卡殼了，不是很理解了，在另外的書上你可能就碰到對(duì)同一個(gè)問(wèn)題的不同角度的描述，說(shuō)不準(zhǔn)哪句話就能讓你豁然開(kāi)朗，如醍醐灌頂。我經(jīng)常碰到這種情況。
并不是說(shuō)學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)一些函數(shù)體的實(shí)現(xiàn)完全就忽略掉，只要自己想徹底了解其代碼實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有誰(shuí)會(huì)阻止你。我是在反復(fù)閱讀過(guò)程中慢慢深入的。比如VFS中文件打開(kāi)需要對(duì)路徑進(jìn)行分析，需要考慮的細(xì)節(jié)不少(.././之類的)，但是其代碼實(shí)現(xiàn)是很好理解的。再比如，CFS調(diào)度中根據(jù)shedule latency、隊(duì)列中進(jìn)程個(gè)數(shù)及其nice值(使用的是動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí))計(jì)算出分配給進(jìn)程的時(shí)間片，沒(méi)理由不看的，這個(gè)太重要了，而且也很有意思。
ULK3也會(huì)有設(shè)計(jì)原理與思想之類的概括性介紹，基本上都位于某個(gè)主題的開(kāi)篇段落。但是更多的是對(duì)支持該原理和思想的主要函數(shù)實(shí)現(xiàn)的具體分析，同樣在首段，一句話綜述函數(shù)的功能，然后對(duì)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)以1、2、3，或者a、b、c步驟的形式進(jìn)行講解。我只是有選擇性的看，有時(shí)候?qū)φ罩胹ource insight打開(kāi)的源碼，確認(rèn)一下代碼大體上確實(shí)是按書中所描述的步驟實(shí)現(xiàn)的，就當(dāng)是增加感性認(rèn)識(shí)。由于步驟中摻雜著各種針對(duì)不同實(shí)現(xiàn)目的安全性、有效性檢查，如果不理解就先跳過(guò)。這并不妨礙你對(duì)函數(shù)體功能實(shí)現(xiàn)的整體把握。
PLKA介于LKD3和ULK3之間。我覺(jué)得PLKA的作者（看照片，真一德國(guó)帥小伙，技術(shù)如此了得）肯定看過(guò)ULK，無(wú)論他的本意還是有意，總之PLKA還是跟ULK有所不同，對(duì)函數(shù)的仔細(xì)講解都做補(bǔ)充說(shuō)明，去掉函數(shù)體中邊邊角角的情況，比如一些特殊情況的處理，有效性檢查等，而不妨礙對(duì)整個(gè)函數(shù)體功能的理解，這些他都有所交代，做了聲明；而且，就像LKD3一樣，在某些點(diǎn)上也給出了指導(dǎo)性編程建議。作者們甚至對(duì)同一個(gè)主要函數(shù)的講解的著重點(diǎn)都不一樣。這樣的話，對(duì)我們學(xué)習(xí)的人而言，有助于加深理解。另外，我認(rèn)為很重要的一點(diǎn)就是PLKA針對(duì)的2.6.24的內(nèi)核版本，而ULK是2.6.11，LKD3是2.6.34。在某些方面PLKA比較接近現(xiàn)代的實(shí)現(xiàn)。其實(shí)作者們之所以分別選擇11或者24，都是因?yàn)樵诎姹景l(fā)行樹(shù)中，這兩個(gè)版本在某些方面都做了不小的變動(dòng)，或者說(shuō)是具有標(biāo)志性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（這些信息大多是在書中的引言部分介紹的，具體的細(xì)節(jié)我想不起來(lái)了）。
Intel V3，針對(duì)X86的CPU，本書自然是系統(tǒng)編程的權(quán)威。內(nèi)核部分實(shí)現(xiàn)都可以在本書找到其根源。所以，在讀以上三本書某個(gè)子系統(tǒng)的時(shí)候，不要忘記可以在V3中相應(yīng)章節(jié)找到一些基礎(chǔ)性支撐信息。
在讀書過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的疑問(wèn)，這一點(diǎn)是確信無(wú)疑的。大到搞不明白一個(gè)設(shè)計(jì)思想，小到不理解某行代碼的用途。各個(gè)方面，各種疑問(wèn)，你完全可以把不理解的地方都記錄下來(lái)(不過(guò)，我并沒(méi)有這么做，沒(méi)有把疑問(wèn)全部記下來(lái)，只標(biāo)記了很少一部分我認(rèn)為很關(guān)鍵的幾個(gè)問(wèn)題)，專門寫到一張紙上，不對(duì)，一個(gè)本上，我確信會(huì)產(chǎn)生這么多的疑問(wèn)，不然內(nèi)核相關(guān)的論壇早就可以關(guān)閉了。其實(shí)，大部分的問(wèn)題（其中很多問(wèn)題都是你知道不知道有這么一回事的問(wèn)題）都可以迎刃而解，只要你肯回頭再看，書讀百遍，其義自現(xiàn)。多看幾遍，前前后后的聯(lián)系明白個(gè)七七八八是沒(méi)有問(wèn)題的。我也這么做了，針對(duì)某些子系統(tǒng)也看了好幾遍，切身體會(huì)。
當(dāng)你按順序?qū)W習(xí)這些子系統(tǒng)的時(shí)候，前面的章節(jié)很可能會(huì)引用后面的章節(jié)，就像PLKA的作者說(shuō)的那樣，完全沒(méi)有向后引用是不可能的，他能做的只是盡量減少這種引用而又不損害你對(duì)當(dāng)前問(wèn)題的理解。不理解，沒(méi)關(guān)系，跳過(guò)就行了。后面的章節(jié)同樣會(huì)有向前章節(jié)的引用，不過(guò)這個(gè)問(wèn)題就簡(jiǎn)單一些了 ?，你可以再回頭去看相應(yīng)的介紹，當(dāng)時(shí)你不太理解的東西，很可能這個(gè)時(shí)候就知道了它的設(shè)計(jì)的目的以及具體的應(yīng)用。不求甚解只是暫時(shí)的。比如說(shuō)，內(nèi)核各個(gè)子系統(tǒng)之間的交互和引用在代碼中的體現(xiàn)就是實(shí)現(xiàn)函數(shù)穿插調(diào)用，比如你在內(nèi)存管理章節(jié)學(xué)習(xí)了的內(nèi)存分配和釋放的函數(shù)，而你是了解內(nèi)存在先的，在學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)或者模塊的時(shí)候就會(huì)碰到這些函數(shù)的調(diào)用，這樣也就比較容易接受，不至于太過(guò)茫然；再比如，你了解了系統(tǒng)時(shí)間和定時(shí)器的管理，再回頭看中斷和異常中bottom half的調(diào)度實(shí)現(xiàn)，你對(duì)它的理解就會(huì)加深一層。
子系統(tǒng)進(jìn)行管理工作需要大量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。子系統(tǒng)之間交互的一種方式就是各個(gè)子系統(tǒng)各自的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過(guò)指針成員相互引用。學(xué)習(xí)過(guò)程中，參考書上在講解某個(gè)子系統(tǒng)的時(shí)候會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中主要成員的用途解釋一下，但肯定不會(huì)覆蓋全部（成員比較多的情況，例如task_struct），對(duì)其它子系統(tǒng)基于某個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的引用可能解釋了，也可能沒(méi)做解釋，還可能說(shuō)這個(gè)變量在何處會(huì)做進(jìn)一步說(shuō)明。所以，不要糾結(jié)于一個(gè)不理解的點(diǎn)上，暫且放過(guò)，回頭還可以看的。之間的聯(lián)系可以在對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)都有所了解之后再建立起來(lái)。其實(shí)，我仍然在強(qiáng)調(diào)先理解概念和框架的重要性。
等我們完成了建立框架這一步，就可以選擇一個(gè)比較感興趣的子系統(tǒng)，比如驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)，或者文件系統(tǒng)之類的。這個(gè)時(shí)候你再去深入了解底層代碼實(shí)現(xiàn)，相較于一開(kāi)始就鉆研代碼，更容易一些，而且碰到了不解之處，或者忘記了某個(gè)方面的實(shí)現(xiàn)，此時(shí)你完全可以找到相應(yīng)的子系統(tǒng)，因?yàn)槟阒涝谀娜フ?，查漏補(bǔ)缺，不僅完成了對(duì)當(dāng)前函數(shù)的鉆研，而且可以回顧、溫習(xí)以前的內(nèi)容，融會(huì)貫通的時(shí)機(jī)就在這里了。
《深入理解linux虛擬內(nèi)存》(2.4內(nèi)核版本)，LDD3，《深入理解linux網(wǎng)絡(luò)技術(shù)內(nèi)幕》，幾乎每一個(gè)子系統(tǒng)都需要一本書的容量去講解，所以說(shuō)，剛開(kāi)始學(xué)習(xí)不宜對(duì)某個(gè)模塊太過(guò)深入，等對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)都有所了解了，再有針對(duì)性的去學(xué)習(xí)一個(gè)特定的子系統(tǒng)。這時(shí)候?qū)ζ渌到y(tǒng)的援引都可以讓我們不再感到茫然、復(fù)雜，不知所云。
比如，LDD3中的以下所列章節(jié)：構(gòu)造和運(yùn)行模塊，并發(fā)和競(jìng)態(tài)，時(shí)間、延遲及延緩操作,分配內(nèi)存，中斷處理等，都屬于驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的支撐性子系統(tǒng)，雖說(shuō)本書對(duì)這些子系統(tǒng)都專門開(kāi)辟一個(gè)章節(jié)進(jìn)行講解，但是詳細(xì)程度怎么能比得上PLKA，ULK3，LKD3這三本書，看完這三本書，你會(huì)發(fā)現(xiàn)讀LDD3這些章節(jié)的時(shí)候簡(jiǎn)直跟喝白開(kāi)水一樣，太隨意了，因?yàn)長(zhǎng)DD3的講解比之LKD3更粗略。打好了基礎(chǔ)，PCI、USB、TTY驅(qū)動(dòng)，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，需要了解和學(xué)習(xí)的東西就比較有針對(duì)性了。這些子系統(tǒng)就屬于通用子系統(tǒng)，了解之后，基于這些子系統(tǒng)的子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)—驅(qū)動(dòng)(需進(jìn)一步針對(duì)硬件特性)和網(wǎng)絡(luò)(需進(jìn)一步理解各種協(xié)議)—相對(duì)而言，其學(xué)習(xí)難度大大降低，學(xué)習(xí)進(jìn)度大大加快，學(xué)習(xí)效率大大提升。說(shuō)著容易做來(lái)難。達(dá)到這樣一種效果的前提就是：必須得靜下心來(lái)，認(rèn)真讀書，要看得進(jìn)去，PLKA，ULK3厚得都跟磚頭塊兒一樣，令人望之生畏，如果沒(méi)有興趣，沒(méi)有熱情，沒(méi)有毅力，無(wú)論如何都是不行，因?yàn)樾枰獣r(shí)間，需要很長(zhǎng)時(shí)間。我并不是說(shuō)必須打好了基礎(chǔ)才可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，只是說(shuō)打好了基礎(chǔ)的情況下進(jìn)行開(kāi)發(fā)會(huì)更輕松，更有效率，而且自己對(duì)內(nèi)核代碼的駕馭能力會(huì)更強(qiáng)大。這只是我個(gè)人見(jiàn)解，我自己的學(xué)習(xí)方式，僅供參考。
語(yǔ)言
PLKA是個(gè)德國(guó)人用德語(yǔ)寫的，后來(lái)翻譯成英文，又從英文翻譯成中文，我在網(wǎng)上書店里沒(méi)有找到它的紙質(zhì)英文版，所以就買了中文版的。ULK3和LKD3都是英文版的。大牛們寫的書，遣詞造句真的是簡(jiǎn)潔，易懂，看原版對(duì)我們學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程的程序員來(lái)說(shuō)完全不成問(wèn)題，最好原汁原味。如果一本書確實(shí)翻譯地很好，我們當(dāng)然可以看中文版的，用母語(yǔ)進(jìn)行學(xué)習(xí)，理解速度和學(xué)習(xí)進(jìn)度當(dāng)然是很快的，不作他想?？从⑽牡臅r(shí)候不要腦子里想著把他翻譯成中文，沒(méi)必要。
API感想
“比起知道你所用技術(shù)的重要性，成為某一個(gè)特別領(lǐng)域的專家是不重要的。知道某一個(gè)具體API調(diào)用一點(diǎn)好處都沒(méi)有，當(dāng)你需要他的時(shí)候只要查詢下就好了。”這句話源于我看到的一篇翻譯過(guò)來(lái)的博客。我想強(qiáng)調(diào)的就是，這句話針應(yīng)用型編程再合適不過(guò)，但是內(nèi)核API就不完全如此。
內(nèi)核相當(dāng)復(fù)雜，學(xué)習(xí)起來(lái)很不容易，但是當(dāng)你學(xué)習(xí)到一定程度，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果自己打算寫內(nèi)核代碼，到最后要關(guān)注的仍然是API接口，只不過(guò)這些API絕大部分是跨平臺(tái)的，滿足可移植性。內(nèi)核黑客基本上已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、文檔化了這些接口，你所要做的只是調(diào)用而已。當(dāng)然，在使用的時(shí)候，最好對(duì)可移植性這一話題在內(nèi)核中的編碼約定爛熟于心，這樣才會(huì)寫出可移植性的代碼。就像應(yīng)用程序一樣，可以使用開(kāi)發(fā)商提供的動(dòng)態(tài)庫(kù)API，或者使用開(kāi)源API。同樣是調(diào)用API，不同點(diǎn)在于使用內(nèi)核API要比使用應(yīng)用API了解的東西要多出許多。
當(dāng)你了解了操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)—這些實(shí)現(xiàn)可都是對(duì)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)性支撐啊—你再去寫應(yīng)用程序的時(shí)候，應(yīng)用程序中用到的多線程，定時(shí)器，同步鎖機(jī)制等等等等，使用共享庫(kù)API的時(shí)候，聯(lián)系到操作系統(tǒng)，從而把對(duì)該API的文檔描述同自己所了解到的這些方面在內(nèi)核中的相應(yīng)支撐性實(shí)現(xiàn)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行考慮，這會(huì)指導(dǎo)你選擇使用哪一個(gè)API接口，選出效率最高的實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)系統(tǒng)編程頗有了解的話，對(duì)應(yīng)用編程不無(wú)益處，甚至可以說(shuō)是大有好處。
設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的本質(zhì)，知道還是理解
操作系統(tǒng)是介于底層硬件和應(yīng)用軟件之間的接口，其各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)很大程度上依賴于硬件特性。書上介紹這些子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，我們讀過(guò)了，也就知道了，如果再深入考慮一下，為什么整體架構(gòu)要按照這種方式組織，為什么局部函數(shù)要遵循這樣的步驟處理，知其然，知其所以然，如果你知道了某個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)是因?yàn)樾酒褪沁@么設(shè)計(jì)的，CPU就是這么做的，那么你的疑問(wèn)也就基本上到此為止了。再深究，就是芯片架構(gòu)方面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)于程序員來(lái)講，無(wú)論是系統(tǒng)還是應(yīng)用程序員，足跡探究到這里，已經(jīng)解決了很多疑問(wèn)，因?yàn)槲覀兊墓ぷ餍再|(zhì)偏軟，而這些東西實(shí)在是夠硬。
比如，ULK3中講解的中斷和異常的實(shí)現(xiàn)，究其根源，那是因?yàn)镮ntel x86系列就是這么設(shè)計(jì)的，去看看Intel V3手冊(cè)中相應(yīng)章節(jié)介紹，都可以為ULK3中描述的代碼實(shí)現(xiàn)方式找到注解。還有時(shí)間和定時(shí)器管理，同樣可以在Intel V3 ?對(duì)APIC的介紹中獲取足夠的信息，操作系統(tǒng)就是依據(jù)這些硬件特性來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件方法定義的。
又是那句話，不是理解不理解的問(wèn)題，而是知道不知道的問(wèn)題。有時(shí)候，知道了，就理解了。在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，知道，理解，知道，理解，知道……，交叉反復(fù)。為什么開(kāi)始和結(jié)尾都是知道，而理解只是中間步驟呢？世界上萬(wàn)事萬(wàn)物自有其規(guī)律，人類只是發(fā)現(xiàn)而已，實(shí)踐是第一位的，實(shí)踐就是知道的過(guò)程，實(shí)踐產(chǎn)生經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)就是理論，理論源于實(shí)踐，理論才需要理解。我們學(xué)習(xí)內(nèi)核，深入研究，搞來(lái)搞去，又回到了芯片上，芯片是物質(zhì)的，芯片的功用基于自然界中物質(zhì)本有的物理和電子特性。追本溯源，此之謂也。
動(dòng)手寫代碼
紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行。只看書是絕對(duì)不行的，一定要結(jié)合課本給出的編程建議自己敲代碼。剛開(kāi)始就以模塊形式測(cè)試好了，或者自己編譯一個(gè)開(kāi)發(fā)版本的內(nèi)核。一臺(tái)機(jī)器的話，使用UML方式調(diào)試，內(nèi)核控制路走到哪一步，單步調(diào)試看看程序執(zhí)行過(guò)程，比書上的講解更直觀明了。一定要?jiǎng)邮謱?shí)際操作。
參考書LDD3? ? ? ? ? Linux Device Driver 3rdLKD3? ? ? ? ? Linux Kernel Development 3rdULK3? ? ? ? ? Understanding the Linux Kernel 3rdPLKA? ? ? ? ? Professional Linux Kernel ArchitectureUML? ? ? ? ? ? User Mode LinuxIntel V3? ? ? ?Intel? 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual ?Volume 3 (3A, 3B
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