20135220谈愈敏Linux Book

第一章 Linux内核简介

从unix的历史视角来认识Linux内核与Linux操作系统的前世今生。

Unix历史

贝尔实验室设计的一个文件系统原型逐渐演化而成Unix，而后Unix操作系统用C语言重写，让Unix可以被广泛移植。这之后就是一路的创新，变种，Unix成为一个强大且稳定的操作系统。

Unix特点

简洁：仅提供几百个系统调用并且有一个非常明确的设计目的
抽象：所有东西都被当做文件对待，对数据和设备的操作通过一套相同的系统调用接口来进行的。
广泛移植性：Unix内核和系统工具软件使用C语言编写，使得其在各种硬件体系架构面前都具备令人惊异的移植能力
进程创建迅速：独特的fork()系统调用
简单且稳定的进程间通信元语：一次执行保质保量地完成一个任务；
清晰的层次化结构：策略和机制分离的理念，简单的进程间通信元语把单一目的的程序方便地组合在一起，可实现越来越复杂的任务

Linux简介

因为不能修改和发布Minix系统的源代码，Linus开发了自己的操作系统--Linux，Linux是类Unix系统，但没有直接使用Unix源代码，但也没有抛弃Unix的设计目标并且保证了应用程序编程接口的一致，Linux是非商业化的，是自由且公开的。

Linux系统基础：

内核

C库

工具集

系统的基本工具

操作系统和内核简介

操作系统：整个系统中负责完成最基本功能和系统管理的那些部分。包括内核、设备驱动程序、启动应到程序、命令行shell或者其他种类的用户界面、基本的文件管理系统工具。

用户界面是操作系统的外在表象，内核才是操作系统的内在核心

内核的组成：

1.中断服务程序（响应中断）

2.调度程序（管理多个进程分享处理器的时间）

3.内存管理程序（管理进程地址空间）

4.系统服务程序（网络、进程间通信）

内核空间：系统态和被保护起来的内存空间

系统调用：应用程序与内核通信

应用程序通常调用库函数，再由库函数通过系统调用界面让内核完成任务。

应用程序通过系统调用在内核空间运行，内核称为运行于进程上下文中。

交互关系（应用程序通过系统调用界面陷入内核）是应用程序完成工作的基本方式。

内核负责管理系统的硬件设备：

硬件设备相遇系统通信，首先要发出一个异步的中断信号来打断处理器的执行。

中断——中断号——中断服务程序

注意：中断服务程序运行在与所有进程都无关的，专门的中断上下文中运行。

将每个处理器在任何指定时间点上的活动必然概括为：

运行于用户空间，执行用户进程

运行于内核空间，处于进程上下文，代表某个特定的进程执行

运行于内核空间，处于中断上下文，与任何进程无关，处理某个特定的中断

Linux内核和传统Unix内核的比较

Unix内核是一个不可分割的静态可执行库，必须以巨大、单独的可执行块的形式在一个单独的地址空间运行，通常需要硬件系统提供页机制（MMU）以管理内存；
Linux内核：模块化设计、抢占式内核。支持内核线程以及动态加载内核模块
单内核：

最大的特点就是内核可以直接调用函数，所有的进程都处于内核态。它从整体上作为一个单独的大的进程来完成，同时也运行在一个单独的地址空间。

简单&性能高
微内核：

功能被划分为多个独立的过程，每一个进程叫做一个服务器。有特权模式和用户模式两种，独立地运行在各自的地址空间。进程间采用IPC通信机制。

Linux内核版本

两种：稳定和处于开发中的。

命名机制：

点号隔开：

主版本号.从版本号.修订版本号.稳定版本号

注意：从版本号是偶数——稳定版，奇数——开发版

第二章从内核出发

获取内核源码

1、使用Git

Git：管理内核源码的一个控制系统，是分布式的。

获取最新提交到Linus版本树的一个副本

$ git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git

下载代码后，更新自己的分支到Linus的最新分支

$ git pull

可随时保持与内核官方的代码树一致。

2、安装内核源代码

内核压缩两种形式：GNU zip & bzip2

解压：

bzip2：$ tar xvjf linux-x.y.z.tar.bz2

zip：$ tar xvzf linux-x.y.z.tar.gz

注意：内核源代码一般安装在/usr/src/linux目录下，这个源码树并不能用于开发

3、使用补丁

增量补丁可以作为版本转移的桥梁。

只要给旧版本打一个增量补丁，让其旧貌换新颜。

从内部源码树开始，运行

$ patch -p1 < ../patch-x,y,z

内核源码树

举例：

COPYIN：内核许可证

CREDITS：开发者列表

MAINTAINTERS：维护者列表（维护内核子系统和驱动程序）

Makefile:是基本内核的Makefile。

编译内核

1、配置内核

可以配置的各种选项都以CONFIG为前缀。

配置项有

二选一:yes or no

三选一:yes or no or module(选定该配置项但编译的时候以模块形式生成）

简化内核配置：

逐一遍历：make config（耗时长）

基于图形工具：make menuconfig

			make gconfig

基于默认配置：make defconfig 

验证和更新配置：make oldconfig

配置选项CONFIG_IKCONFIG_PROC把完整的压缩过的内核配置文件存放在/proc/config.gz中，再次编译时可以方便地克隆当前的配置。如果当前启用了此选项，可以从/proc下复制出配置文件：

zcat /proc/config.gz > .config

编译内核：

make：默认的Makefile自动化编译。

2、减少垃圾的编译信息

对输出进行重定向：

$ make > ../detritus

#将错误报告和警告信息重定向到文件中

$ make > /dev/null

#将无用的输出信息重定向到/dev/null中（永无返回值的黑洞）

3、衍生多个编译作业

make程序能把编译过程拆分成多个并行的作业。其中每个作业独立并发地运行，有助于加快多处理器系统上的编译过程，也有利于改善处理器的利用率。

默认情况下，make只衍生一个作业。

#以多个作业编译内核

$ make -jn

- j：指定同时执行多任务

- n：要衍生出的作业数

4、安装新内核

内核安装按照启动引导工具的说明。

模块安装是自动的，也是独立于体系结构的：

以root身份运行：

$ make modules_install

#把所有已编译的模块安装到正确的主目录/lib/modules下

编译时会在根目录下创建一个System.map文件，这是一份符号对照表，将内核符号和他们的起始地址对应起来。

内核开发特点

1、内核开发时既不能访问C库也不能访问标准的C头文件

内核源代码文件不能包含外部头文件。

基本头文件：内核源代码顶级目录下的include中

体系结构相关头文件：内核源代码树的arch/<architecture>/include/asm目录下

printk()函数：把格式化好的字符串拷贝到内核日志缓冲区上，syslog程序可以通过读取该缓冲区来获取内核信息。

printk()与printf()的显著区别：

printk()函数允许通过指定一个标志来设置优先级，syslog根据这个标志决定在什么地方显示这个系统信息。

注意：标志和信息之间没有逗号。

2、内核编程时必须使用GNU C

GNU：一种操作系统

gcc：GNU编译器的集合

1、内联函数：函数会在所调用的位置上展开。可以消除函数调用和返回所带来的开销，但代码会变长。

定义时，需要使用static作为关键字，用inline限定它：

static inline void wolf (unsigned long tail_size)

内联函数必须在使用之前就定义好，一般在头文件中定义。

内核中优先使用内联函数而不是宏。

2、内联汇编：通常使用asm()指令嵌入汇编代码，用volatile表示不优化。

Linux内核混合使用了C语言和汇编语言，在偏近体系结构底层或对执行时间要求严格的地方，一般使用汇编语言。

3、分支声明：用于优化条件选择语句。（一个条件经常出现或很少出现）

内核把这条指令封装成了宏，如：

unlikely() - 很少出现，通常为假

likely() - 经常出现，通常为真

3、内核编程时缺乏像用户空间那样的内存保护机制

用户程序进行非法内存访问，内核会阻止，但是内核自己非法访问了内存，就没谁可以照顾内核了。

内核中发生内存错误会导致oops(很常见的错误)

另：内核中内存不分页，每用掉一个字节，物理内存都减少一个。

4、内核编程时难以执行浮点运算

用户空间的进程进行浮点操作，是内核完成整数到浮点数操作模式的转换，但内核本身不能陷入。

5、内核给每个进程只有一个很小的定长堆栈

用户空间的栈较大，且能动态增长。

内核栈有准确大小，随体系结构而变。

6、由于内核支持异步中断、抢占和SMP，必须时刻注意同步和并发

内核很容易产生竞争条件。

特别是：

Linux是抢占多任务操作系统

Linux内核支持对称多处理器系统（SMP）

Linux内核支持异步中断

Linux内核可以抢占

常用的解决竞争的方法：自旋锁和信号量。

7、要考虑可移植性的重要性

大部分C代码与体系结构无关，必须把与体系结构相关的代码从内核代码树中分离出来。

保持字节序、64位对齐、不假定字长和页面长度等一系列准则有助于移植性。