Linux内核学习趣谈

本文原创是freas_1990，转载请标明出处：http://blog.csdn.net/freas_1990/article/details/9304991

从大二开始学习Linux内核，到现在已经4年了。在大学的时候，学习Linux内核仅仅是作为一种爱好，因为国内罕有人能在本科毕业之后直接从事Linux内核研发工作，而哦也从未打算读研。

学习内核是一件很有趣的事情。仅仅是出于兴趣。当很想知道命令是如何从键盘输入到计算机并且关联到进程的时候，我翻出了Linux内核的源代码。然而，面对的问题越来越多，好像一个潘多拉盒子，一旦打开了，就一发不可收拾。当很想知道什么是进程的时候，会去翻阅内核关于进程的结构体。然而，更复杂的问题是，内核的作者是怎么在一个裸机上相处要把“进程”这个概念意淫出来的呢？这一系列的问题对我的吸引好似毒瘾。

操作系统本质的任务是为了是计算机工作更有效率，各种资源压榨更彻底。所以，内核hacker本质上是最优秀的吸血鬼。

正因为操作系统需要压榨硬件的资源，所以需要对硬件比较熟悉——当然，并不是说每个内核工程师都是驱动工程师。有的可能只是对算法比较有研究，优化了某一个数据结构或者算法。然而，所有的优化都是为了使硬件干活儿更有效率，所以，对硬件的熟悉是最基础的——如果不熟悉硬件的特性，那么，即便做了很多的优化，也是为了优化而优化。

与操作系统关系最密切的硬件莫过于CPU。关于CPU，最核心的莫过于多任务管理、内存管理。前者是操作系统的两大核心之一，后者是前者的基础。

关于CPU的任务，有三个概念必须要搞清楚。任务的定义、上下文切换、内存的分段segment（注意与汇编里的代码段、数据段、堆栈段区分，这三个概念一般是在同一个物理内存的segment内的）。其中，任务基本上是意淫出来的（个人观点）。对于CPU而言，需要做的就是去查IP指向了内存的哪里，然后去执行，至于是否是一个任务，它本身不在意。而当intel人为地定义出一个任务概念之后，关于任务这个对象的属性就出来了，intel用一个专用tr寄存器用于存储指向当前任务的任务描述符地址。当tr指向哪一条任务描述符了，哪一个任务就被意淫为正在执行。当tr指向另外一个任务描述符的时候，另外一个任务就是正在执行了。Linux内核有专门的switch_to()这样一个宏定义（实际上是汇编指令）来做这个事儿。这个过程被称为上下文切换。当然，上下文切换有很多复杂的工作要做，最基本的就是要把当前的任务的执行情况保存起来。

如何保存呢？

当然要用到栈了。（栈并非是C语言专用的数据结构，而是一种通用的数学概念，一种通用的机制，只不过天朝的叫兽很喜欢把C和栈捏到一起意淫）。

早期的Linux内核为一个进程分配了一个page减去task_struct大小的内核栈，用于存储内核态的上下文信息。

说远了，回到上下文切换的概念。

大家都知道上下文切换是一个很耗费资源的工作。应该尽量避免。

有一个很傻很天真的问题摆在这里。

既然上下文切换是应该避免的问题，为什么内核还要提供上下文切换的功能呢？那不是在自己打嘴巴吗？

准确的说，这是一个关于人性本自私的话题的探讨——觉得穿越了吧？

说上下文切换不好，是站在应用（说话者所支持的应用）的立场来说话的。比如说，一个Linux企业系统出现了大量的上下文切换，DBA抱怨说，这个系统太fuck了，Oracle还怎么跑嘛？他是站在Oracle的角度来说话的。

而在操作系统的角度，它觉得自己已经协调好了各个任务的资源配置，尽最大的努力让各个任务都能均衡执行。至于各个任务性能还是不能让人满意，关键问题是应用太多了——老子就那么两个核，丢过来几万个任务，上下文切换能不多吗？我日。

至于在CPU的角度，内存里有多少代码，老子就跑多久，一个任务是跑，一万个任务也是跑。老子跑就是了，你应用设计的合不合理，应用跑得爽不爽，关老子鸟事。

好吧，再回到内存分段的概念。

现代操作系统用的其实是分页管理。至于分段管理，那是30年前过时的技术了——可笑的是，直到2013年，天朝很多高校的汇编课程讲解的重点就是80x86的分段管理（还是实模式那种）。

80x86系列的分页管理核心在于逻辑地址、虚拟地址、线性地址、物理地址之间的转换。页目录、页表实现的机制。

CPU的三个概念就占了很大的篇幅了。说了这么多，不是想在这里讲解很多知识。主要是想说明，Linux内核学习是一个很复杂的问题，是一个真正的兴趣驱动的过程。相对而言，如果你选择一个商业产品，无论你多么自信地说自己爱Oracle数据库，恨不能天天与它做爱，但是，参加一个月培训后，就能正常干活了——对你而言实在是太容易了。

你需要持续的动力，持续的热情。需要能在一个夜晚读内核源代码读到黑夜变白天。

有这种战斗的精神，无论是Linux内核，还是你喜欢的女孩子，还是事业，都是你的。