Linux内核入门集.doc

Linux内核入门集步骤一：获取内核代码 这年头，Linux成了一个时髦词。自诩对电脑玩的精通的学生和IT人士们，没有哪个不在自己的电脑上安装一、两个Linux，并自觉赶上了时髦。然而，在Ubuntu或SUSE的论坛中，经常有这样的对话： “你学Linux学了这么久，都学到了什么？” “哦，我现在Linux的安装、升级、桌面美化都很熟练！你看我这是最新版的Ubuntu，桌面很漂亮吧！” “” Linux社区中有一句名言：如果你进入你的操作系统不知道该做什么，那最好还是关掉电脑，一定有更重要的事等着你去做。说真的，如果对 Linux命令不熟练，真的不能算是学过Linux。然而另一方面，Linux内核虽然是一般用户可学可不学的内容，但可以说却是Linux操作系统中最 好玩的部分。尤其对于开发者而言，Linux内核开发绝对是最理想的磨练场所。51CTO编辑一直认为，国外之所以IT技术大拿林立，和他们从小接触类 UNIX系统、把玩内核开发是脱不了关系的。 下面是Linux内核开发者Robert Love写的一篇入门文章，号称“包教会”，推荐对Linux内核开发感兴趣的学生、Linux爱好者、开发者以及系统管理员们一定不要错过。当然，虽然标题说是包教会，你可能需要一定的Linux命令以及C语言的基础。 以下是正文内容： Linux内核一直都被视为学习Linux最难的一块，相信大家也一定看过不少关于内核的文章，但扪心自问，你现在究竟掌握了多少？本文将从零开始介绍被视为高深的Linux内核，内容涉及内核源代码的下载，编译，安装，以及内核开发相关的内容。 如何获取Linux内核源代码 下载Linux内核当然要去官方网站了，网站提供了两种文件下载，一种是完整的Linux内核，另一种是内核增量补丁，它们都是tar归档压缩包。除非你有特别的原因需要使用旧版本的Linux内核，否则你应该总是升级到最新版本。 使用Git 由Linus领头的内核开发队伍从几年前就开始使用Git版本控制系统管理Linux内核了(参考阅读：什么是Git？)，而Git项目本身也 是由Linus创建的，它和传统的CVS不一样，Git是分布式的，因此它的用法和工作流程很多开发人员可能会感到很陌生，但我强烈建议使用Git下载和 管理Linux内核源代码。 你可以使用下面的Git命令获取Linus内核代码树的最新“推送”版本： $ git clone git://pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git 然后使用下面的命令将你的代码树与Linus的代码树最新状态同步： $ git pull 安装内核源代码 内核包有GNU zip(gzip)和bzip2格式。Bzip2是默认和首选格式，因为它的压缩比通常比gzip更好，bzip2格式的 Linux内核包一般采用linux-x.y.z.tar.bz2形式的文件名，这里的x.y.z是内核源代码的具体版本号，下载到源代码包后，解压和抽 取就很简单了，如果你下载的是bzip2包，运行： $ tar xvjf linux-x.y.z.tar.bz2 如果你下载的是gzip包，则运行： $ tar xvzf linux-x.y.z.tar.gz 无论执行上面哪一个命令，最后都会将源代码解压和抽取到linux-x.y.z目录下，如果你使用Git下载和管理内核源代码，你不需要下载tar包，只需要运行git clone命令，它就会自动下载和解压。 内核源代码通常都会安装到/usr/src/linux下，但在开发的时候最好不要使用这个源代码树，因为针对你的C库编译的内核版本通常也链接到这里的。 应用补丁 Linux内核开发人员会将自己的修改做成补丁与其它人员分享，而且补丁是增量的，增量补丁是从一个内核树移动到另一个内核树的有效方法，不用 下载完整的内核包就可以升级内核，不仅可节省带宽，也节省了内核升级时间，应用补丁之前先进入内核源代码树所在目录，然后运行： $ patch p1 .config $ make oldconfig 内核配置好后，使用下面的命令进行生成： $ make 和2.6以前的内核不一样，在生成内核前不再需要执行make dep命令了，依赖树会自动维护，也不需要再指定特定的生成类型，如bzImage，或独立生成模块，默认Makefile规则会自动处理好一切。 将干扰信息最小化 在生成过程中会遭到警告和错误的干扰。最小化干扰信息的一个诀窍是重定向make的输出，但仍然会看到一些警告和错误： $ make ./detritus 如果你想查看生成输出，你可以事后阅读这个文件，如果你完全不想看到任何输出，那么就重定向到/dev/null： $ make /dev/null 同时执行多个生成作业 Make命令提供了一个功能可以将生成过程拆分成多个平行的作业，这些作业可以独立运行，也可以并行运行，在多处理器系统上可以极大地提高生成速度，也提高了处理器利用率，因为生成大型源代码树会出现大量的I/O等待时间。 默认情况下，make只能拆分成一个作业，因为Makefiles常常会包含不正确的依赖信息，如果真是这样，多个并行执行的作业将会引起混乱，最终会导致生成过程失败，如果Makefiles中的依赖信息无误，那么完全可以拆分成多个作业执行，如： $ make jn 这里的n表示拆分的作业数量，通常按每个处理器拆分成1-2个作业，例如，在一个16核心的机器上 ，你可以运行： $ make -j32 /dev/null 使用distcc或ccache等优秀的工具也可以大大提高生成速度。 安装新内核 内核生成好之后，你需要安装它，如何安装于系统架构和引导加载程序有关，我们以x86架构，grub引导加载程序为例进行说明。 首先将arch/i386/boot/bzImage拷贝到/boot，重命名为vmlinuz- version，这里的version也是 版本号，然后编辑/boot/grub/grub.conf，为新内核添加相应的项目，如果是使用LILO引导装载程序，则修改/etc /lilo.conf文件，然后运行lilo。 模块的安装与系统架构无关，都是自动完成的，以root用户运行： % make modules_install 这个命令会将所有编译好的模块安装到/lib/modules下对应的子目录中。 生成过程会在源代码树根目录下创建一个System.map文件，它包含一个符号查找表，映射内核符号到它们的起始地址，在调试期间可以用它将内存地址转换成函数和变量名。 可能会遇到的问题 与普通用户空间的应用程序相比，Linux内核有多个特殊的属性，下面是我认为最重要的一些不同： 内核既不访问C库也不访问标准C头； 内核是用GNU C编码的； 内核缺少用户空间提供的内存保护； 内核不能容易地执行浮点运算； 内核有一个小型的固定大小的进程堆栈； 由于内核支持异步中断和SMP，因此同步和并发是内核主要担心的问题； 可移植性也很重要。 下面我们就逐个来了解一下这些问题，所有内核开发人员都必须记住它们。 无libc或标准头 和用户空间应用程序不一样，内核并没有链接到标准的C库，也没有链接到任何其它的库，这样设计的原因有很多，包括如先有鸡还是先有蛋的问题，但主要原因还是速度和内核大小，不要说完整的C库，就是它的一个子集也够大，内核太大只会导致效率低下。 不要担心，许多常用的libc函数都在内核中实现了，例如，常见的字符串操作函数就位于lib/string.c中，只需要包括它的头文件就可以了。 这里的头文件指的是内核源代码树中的头文件，内核也只能使用树内的头文件，基础文件位于源代码根目录的include/目录下，例如，头文件就位于include/linux/inotify.h。 与架构相关的头文件则位于arch/include/asm，例如，如果在x86架构下编译，与你 架构相关的文件就是arch/x86/include/asm，只需要在引用这些头的地方加上asm/前缀即可，如。 漏掉的大部分都是类似printf()这样的函数，内核不会使用printf()，但它提供了printk()函数，其表现绝不比 printf()差，printk()会拷贝格式化的字符串到内核日志缓冲区，syslog程序就是从这里读取信息的，其用法也和printf()类似： printk(Hello world! A string %s and an integer %dn, str, i)； printf()和printk()之间最大的不同是，printk()允许你指定一个优先级标记，syslogd使用这个标记确定在哪里显示内核消息，下面是一个使用优先级标记的示例： printk(KERN_ERR this is an error!n)； 注意在KERN_ERR和打印的消息之间没有逗号，这是故意这么设计的，优先级使用一个预定义的字符定义，在编译期间它与打印的信息是串联的。 GNU C 和许多Unix内核类似，Linux内核也是用C编写的，但也许会让人很意外，内核不是用严谨的ANSI C编写的，内核开发人员用的却是gcc(GNU编译器集，包含了编译内核和Linux C程序的C编译器)中的各种语言扩展。 内核开发人员同时使用了C语言的ISO C99和GNU C扩展，这些变化让Linux内核与gcc结合得更紧密，但最近又出现了一个编译 器 英特尔的C编译器 也对gcc的功能支持得相当好，因此也可以用它来编译Linux内核。最低支持的gcc版本是3.2，建议采用 gcc 4.4或更高的版本编译。使用ISO C99扩展也是可以的，因为C99是C语言的官方版本。 内联函数 C99和GNU C都支持内联函数，内联函数是直接插入到每个函数调用的位置的，消除了函数调用和返回的开销，允许进一步优化，因为编译器可以 同时优化调用者和被调用函数，但它也有缺点，代码大小会增加，因为函数的内容被直接复制到所调用者内部了，因此也会增加内存消耗和指令缓存空间。内核开发 人员一般在小型时间很关键的函数中才会使用内联函数。 定义函数时，使用static和inline关键字声明内联函数，例如： static inline void wolf(unsigned long tail_size) 函数必须先声明后使用，否则编译器就不能使函数内联，一般做法是将内联函数放在头文件中，因为它们被标记为static，不会创建输出函数，如果内联函数仅在一个文件中使用，可以放在该文件的顶部。 在内核中，与复杂的宏相比，出于安全和可读性方面考虑，内联函数是首选。 内联汇编 Gcc C编译器允许在C函数中嵌入汇编指令，asm()编译器指令用于内联汇编代码，例如，这个内联汇编指令执行x86处理器的rdtsc指令，返回时间戳寄存器(tsc)的值： unsigned int low, high; asm volatile(rdtsc : =a (low)， =d (high)； /* low and high now contain the lower and upper 32-bits of the 64-bit tsc */ Linux内核是用C和汇编语言混合编写的，与底层硬件相关的代码很多都是用汇编语言写的，剩下的大部分内核代码都是直接用C编写的。 分支注解 Gcc C编译器内置了一个指令优化条件分支，内核将这个打包成易于使用的宏 -likely()和unlikely()。 先看下面这样的if语句： if (error) /* . */ 将这个分支标记为非常不可能采用 /* we predict error is nearly always zero . */ if (unlikely(error) /* . */ 相反，将这个分支标记为非常可能采用 /* we predict success is nearly always nonzero . */ if (likely(success) /* . */ 当分支指令已经知道一个优先级，或你想在一种情况下优化另一种情况时应该使用上述指令，最重要的是，当分支正确标记时，这些指令会提升性能，但如果分支标记错误则会降低性能，在内核代码中，unlikely()要使用得更多，因为if语句倾向于表示一种特殊情况。 无内存保护 当用户空间的应用程序尝试一个非法的内存访问时，内核可以捕捉到错误，发送SIGSEGV信号，杀掉进程，如果内核尝试一个非法的内存访问时，结果就不受控制了，因为谁也无法去控制内核，这也是内核最主要的失误。 此外，内核内存也是不可分页的，因此你消耗的每个内存字节都比物理内存的一个字节要少。 不能(容易)使用浮点数 当用户空间进程使用浮点指令时，内核要负责处理从整型到浮点模式的转换。 与用户空间不一样，内核不能无缝支持浮点数，因为它自己不能轻易地捕捉到自己，在内核中使用浮点数需要手动保存和恢复浮点数寄存器，因此除非却有必要，否则尽量不要在内核中做浮点运算。 小型，固定大小的堆栈 用户空间可以静态分配许多不同的堆栈，包括巨型结构和千元数组，这个行为是合法的，因为用户空间有很大的堆栈，并可以动态增长。 内核堆栈不大也不是动态的，相反，它很小且是固定的，内核堆栈的精确大小根据架构有所不同，在x86上，堆栈大小是在编译时确定的，一般是 4KB或8KB，历史上，