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Linux操作系统内核分析方法

发布时间:2006-08-18 09:38:43来源:红联作者:caldo
  Linux的最大的好处之一就是它的源码公开。同时,公开的核心源码也吸引着无数的电脑爱好者和程序员;他们把解读和分析Linux的核心源码作为自己的最大兴趣,把修改Linux源码和改造Linux系统作为自己对计算机技术追求的最大目标。

  Linux内核源码是很具吸引力的,特别是当你弄懂了一个分析了好久都没搞懂的问题;或者是被你修改过了的内核,顺利通过编译,一切运行正常的时候。那种成就感真是油然而生!而且,对内核的分析,除了出自对技术的狂热追求之外,这种令人生畏的劳动所带来的回报也是非常令人着迷的,这也正是它拥有众多追随者的主要原因:

  首先,你可以从中学到很多的计算机的底层知识,如后面将讲到的系统的引导和硬件提供的中断机制等;其它,象虚拟存储的实现机制,多任务机制,系统保护机制等等,这些都是非都源码不能体会的。

  同时,你还将从操作系统的整体结构中,体会整体设计在软件设计中的份量和作用,以及一些宏观设计的方法和技巧:Linux的内核为上层应用提供一个与具体硬件不相关的平台;同时在内核内部,它又把代码分为与体系结构和硬件相关的部分,和可移植的部分;再例如,Linux虽然不是微内核的,但他把大部分的设备驱动处理成相对独立的内核模块,这样减小了内核运行的开销,增强了内核代码的模块独立性。

  而且你还能从对内核源码的分析中,体会到它在解决某个具体细节问题时,方法的巧妙:如后面将分析到了的Linux通过Botoom_half机制来加快系统对中断的处理。

  最重要的是:在源码的分析过程中,你将会被一点一点地、潜移默化地专业化。一个专业的程序员,总是把代码的清晰性,兼容性,可移植性放在很重要的位置。他们总是通过定义大量的宏,来增强代码的清晰度和可读性,而又不增加编译后的代码长度和代码的运行效率;他们总是在编码的同时,就考虑到了以后的代码维护和升级。 甚至,只要分析百分之一的代码后,你就会深刻地体会到,什么样的代码才是一个专业的程序员写的,什么样的代码是一个业余爱好者写的。而这一点是任何没有真正分析过标准代码的人都无法体会到的。

  然而,由于内核代码的冗长,和内核体系结构的庞杂,所以分析内核也是一个很艰难,很需要毅力的事;在缺乏指导和交流的情况下,尤其如此。只有方法正确,才能事半功倍。正是基于这种考虑,作者希望通过此文能给大家一些借鉴和启迪。

  由于本人所进行的分析都是基于2.2.5版本的内核;所以,如果没有特别说明,以下分析都是基于i386单处理器的2.2.5版本的Linux内核。所有源文件均是相对于目录/usr/src/linux的。

方法之一:从何入手

  要分析Linux内核源码,首先必须找到各个模块的位置,也即要弄懂源码的文件组织形式。虽然对于有经验的高手而言,这个不是很难;但对于很多初级的Linux爱好者,和那些对源码分析很有兴趣但接触不多的人来说,这还是很有必要的。

1、Linux核心源程序通常都安装在/usr/src/linux下,而且它有一个非常简单的编号约定:任何偶数的核心(的二个数为偶数,例如2.0.30)都是一个稳定地发行的核心,而任何奇数的核心(例如2.1.42)都是一个开发中的核心。

2、核心源程序的文件按树形结构进行组织,在源程序树的最上层,即目录/usr/src/linux下有这样一些目录和文件:

◆ COPYING: GPL版权申明。对具有GPL版权的源代码改动而形成的程序,或使用GPL工具产生的程序,具有使用GPL发表的义务,如公开源代码;

◆ CREDITS: 光荣榜。对Linux做出过很大贡献的一些人的信息;

◆ MAINTAINERS: 维护人员列表,对当前版本的内核各部分都有谁负责;

◆ Makefile: 第一个Makefile文件。用来组织内核的各模块,记录了个模块间的相互这间的联系和依托关系,编译时使用;仔细阅读各子目录下的Makefile文件对弄清各个文件这间的联系和依托关系很有帮助;

◆ ReadMe: 核心及其编译配置方法简单介绍;

◆ Rules.make: 各种Makefilemake所使用的一些共同规则;

◆ REPORTING-BUGS:有关报告Bug 的一些内容;

● Arch/ :arch子目录包括了所有和体系结构相关的核心代码。它的每一个子目录都代表一种支持的体系结构,例如i386就是关于intel cpu及与之相兼容体系结构的子目录。PC机一般都基于此目录;

● Include/: include子目录包括编译核心所需要的大部分头文件。与平台无关的头文件在 include/linux子目录下,与 intel cpu相关的头文件在include/asm-i386子目录下,而include/scsi目录则是有关scsi设备的头文件目录;

● Init/: 这个目录包含核心的初始化代码(注:不是系统的引导代码),包含两个文件main.c和Version.c,这是研究核心如何工作的好的起点之一。

● Mm/:这个目录包括所有独立于 cpu 体系结构的内存管理代码,如页式存储管理内存的分配和释放等;而和体系结构相关的内存管理代码则位于arch/*/mm/,例如arch/i386/mm/Fault.c;

● Kernel/:主要的核心代码,此目录下的文件实现了大多数linux系统的内核函数,其中最重要的文件当属sched.c;同样,和体系结构相关的代码在arch/*/kernel中;

● Drivers/: 放置系统所有的设备驱动程序;每种驱动程序又各占用一个子目录:如,/block 下为块设备驱动程序,比如ide(ide.c)。如果你希望查看所有可能包含文件系统的设备是如何初始化的,你可以看drivers/block/genhd.c中的device_setup()。它不仅初始化硬盘,也初始化网络,因为安装nfs文件系统的时候需要网络;

● Documentation/: 文档目录,没有内核代码,只是一套有用的文档,可惜都是English的,看看应该有用的哦;

● Fs/: 所有的文件系统代码和各种类型的文件操作代码,它的每一个子目录支持一个文件系统, 例如fat和ext2;

● Ipc/: 这个目录包含核心的进程间通讯的代码;

● Lib/: 放置核心的库代码;

● Net/: 核心与网络相关的代码;

● Modules/: 模块文件目录,是个空目录,用于存放编译时产生的模块目标文件;

● Scripts/: 描述文件,脚本,用于对核心的配置;

  一般,在每个子目录下,都有一个 Makefile 和一个Readme 文件,仔细阅读这两个文件,对内核源码的理解很有用。

  对Linux内核源码的分析,有几个很好的入口点:一个就是系统的引导和初始化,即从机器加电到系统核心的运行;另外一个就是系统调用,系统调用是用户程序或操作调用核心所提供的功能的接口。对于那些对硬件比较熟悉的爱好者,从系统的引导入手进行分析,可能来的容易一些;而从系统调用下口,则可能更合适于那些在dos或Uinx、Linux下有过C编程经验的高手。
文章评论

共有 26 条评论

  1. su319 于 2012-06-13 17:27:57发表:

    谢谢

  2. 千里楼 于 2012-06-09 23:56:24发表:

    感觉linux内核有些难懂唉

  3. pufan 于 2012-06-09 18:13:23发表:

    有质量,谢谢了

  4. realy 于 2011-07-24 14:48:08发表:

    好的开头,学习

  5. dlshanghai 于 2011-07-22 16:15:06发表:

    (5ty(看晕了

  6. jy0266 于 2011-07-21 14:55:31发表:

    谢谢楼主了 帮助很大

  7. lxxwyy 于 2011-06-11 22:31:43发表:

    xuexi

  8. haoyu314 于 2011-01-29 09:40:24发表:

    楼主貌似很牛的人。佩服,佩服

  9. haoyu314 于 2011-01-29 09:38:52发表:

    深入浅出啊,学习了。

  10. haoyu314 于 2011-01-29 09:38:28发表:

    深入浅出啊,学习了。

  11. davemac 于 2011-01-24 12:06:04发表:

    很受教 谢谢了

  12. liu13chao 于 2011-01-16 20:39:46发表:

    代码大全

  13. 考乌特莫克 于 2011-01-09 23:44:17发表:

    刚开始学习,步步深入,认真分析,深入贯彻和落实。。。。。。。。怎么越说越像。。。。。。。。新闻联播。。。。。。。。

  14. xk123 于 2011-01-09 11:47:23发表:

    为什么有方法之一? 而没有方法之二?

  15. checkpoint 于 2010-09-29 16:16:01发表:

    楼主很犀利啊

  16. fwsxzq 于 2010-03-08 11:59:00发表:

    谢谢楼主先~

  17. MEYEGG 于 2010-01-08 22:00:23发表:

    zhichi ...

  18. yangsilence 于 2010-01-04 09:27:15发表:

    学习一下!

  19. zxc261147 于 2009-12-29 14:18:46发表:

    本菜正在试着学习...近期可能还看不懂...不过顶了!

  20. RED_CSHAT 于 2009-11-25 13:27:57发表:

    有质量,谢谢了

  21. mm711 于 2009-11-18 00:45:53发表:

    受用~谢谢

  22. camel_flying 于 2009-11-17 20:45:30发表:

    谢谢!请问怎么联系你 啊??
    我是刚刚开始读代码
    很多问题想请教你
    我的邮箱:camel_flying@163.com
    谢谢!!

  23. ycwycf 于 2009-11-17 16:40:05发表:

    谢谢了

  24. zhl1986628 于 2009-10-11 09:16:22发表:

    linux的内核好不好懂呀~~

  25. w_gg 于 2009-10-10 21:20:49发表:

    精炼实用!好。

  26. gavin3726534 于 2009-10-10 14:25:51发表:

    收益颇深