LINUX内核设计与实现第三周读书笔记

时间：2023-12-19 18:11:56

LINUX内核设计与实现第三周读书笔记

第一章 LINUX内核简介

1.1 Unix的历史

  • 1969年的夏天，贝尔实验室的程序员们在一台PDR-7型机上实现了Unix这个全新的操作系统。
  • 1973年，整个Unix系统用C语言进行了重写，给后来Unix系统的广泛移植铺平了道路。
  • 伯克利的第一个Unix演化版是1977年推出的1BSD系统。
  • 伯克利真正独立开发的Unix系统是于1979年推出的3BSD系统，支持虚拟内存。
  • 1994年重写了虚拟内存子系统，推出了最终官方版，即4.4BSD。

Unix内核的特点:

  • 首先，Unix很简洁，仅仅提供几百个系统调用并且有一个非常明确的设计目的。
  • 在Unix中，所有的东西都被当做文件对待。
  • Unix内核和相关的系统工具软件是用C语言编写而成的，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。
  • Unix的进程创建非常迅速，并且有一个非常独特的fork系统调用。
  • Unix提供了一套非常简单但又很稳定的进程间通信元语，把目标放在一次执行保质保量地完成一个任务上。

1.2Linux简介

Linux是类Unix系统，没有直接使用Unix的源代码，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性。

Linux内核也是*（公开）软件。

1.3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部分。

内核（管理者或者操作系统核心）：由负责响应中断的中断服务程序，负责管理多个进程从而分享处理器时间的调度程序，负责管理进程地址空间的内存管理程序和网络、进程间通信等系统服务程序共同组成。

内核空间：系统态和被保护起来的内存空间。

在系统中运行的应用程序通过系统调用来与内核通信。

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

1.4Linux内核和传统Unix内核的比较

单内核：把它从整体上作为一个单独的大过程来实现，同是也运行在一个单独的地址空间上。

微内核：功能被划分成各个独立的过程。每个过程叫做一个服务器。

Linux是一个单内核，汲取了微内核的精华：模块化设计、抢占式内核、支持内核线程以及动态装载内核模块的能力。让所有事情运行在内核态，直接调用函数，无需消息传递。

  • 支持动态加载内核模块
  • 支持对称多处理（SMP）
  • 内核可以抢占（preemptive），允许内核运行的任务有优先执行的能力
  • 不区分线程和其他的一般进程
  • 提供具有设备类的面向对象的设备模型、热插拔事件，以及用户空间的设备文件系统。

1.5Linux内核版本

版本号为2.6.30.1的内核，主版本号是2，从版本号是6，修订版本号是30，稳定版本号是1。

第二章 从内核出发

2.1获取内核源码

2.1.1使用Git

获取最新提交到版本树的一个副本

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

下载代码后，更新自己的分支到最新分支

 $ git pull

2.1.2安装内核源代码

  • 压缩形式为bzip2：$ tar xvjf linux-x.y.z.tar.bz2
  • 压缩形式为zip：$ tar xvzf linux-x.y.z.tar.gz

2.1.3使用补丁

从内部源码树开始，只需运行$ patch -p1 < ../patch-x,y,z

2.2内核源码树

  • arch 特定体系结构的代码

  • block 块设备I/O层

  • crypo 加密API

  • Documentation 内核源码文档

  • drivers 设备驱动程序

  • firmware 使用某些驱动程序而需要的设备固件

  • fs VFS和各种文件系统

  • include 内核头文件

  • init 内核引导和初始化

  • ipc 进程间通信代码

  • kernel 像调度程序这样的核心子系统

  • lib 同样内核函数

  • mm 内存管理子系统和VM

  • net 网络子系统

  • samples 示例，示范代码

  • scripts 编译内核所用的脚本

  • security Linux 安全模块

  • sound 语音子系统

  • usr 早期用户空间代码（所谓的initramfs）

  • tools 在Linux开发中有用的工具

  • virt 虚拟化基础结构

  • COPYIN文件是内核许可证

  • CREDITS是开发者列表

  • MAINTAINTERS是维护者列表（维护内核子系统和驱动程序）

2.3编译内核

2.3.1 配置内核

  • make config：遍历所有配置项，并让用户选择
  • make deconfig：按默认的配置
  • make oldconfig：先将/boot目录下的配置文件写进.config文件中，采用的是注释的形式写进新增加的功能。
  • zcat /proc/config.gz > .config：配置选项CONFIG_IKCONFIG_PROC会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。
  • make：默认的Makefile自动化编译。

2.3.2减少编译的垃圾信息

$ 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

2.3.3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。

$ make -jn

以多个作业编译内核

2.3.4安装新内核

% make modules_install

把所有已编译的模块安装到正确的主目录/lib/modules下

System.map文件：编译时在内核代码树的根目录下创建的符号对照表。用来将内核符号与它们的起始地址对应起来。

2.4内核开发的特点

2.4.1无libc库抑或无标准头文件

原因：（速度与大小）保证内核高效和简练。

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*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。

2.4.2GNU C

什么是GNU？GNU是一种操作系统，GNU提供的C编译器就是我们之前使用的gcc。

1.内联函数

static inline void wolf(unsigned long tail_size);

static：关键字

inline：用于限定关键字

内联函数：编译时在它被调用的地方展开。

  • 优点：减少了函数调用的开销，性能较好。
  • 缺点：频繁的使用内联函数也会使代码变长，从而在运行时占用更多的内存。

定义内联函数特点：时间要求高，本身长度较短的函数。

使用之前就要定义好内联函数，一般在头文件中定义。

为了类型安全和易读性，优先使用内联函数而不是复杂的宏。

2.内联汇编

unsigned int low, high;

asm volatile("rdtsc" : "=a" (low), "=d" (high));

/* low 和 high 分别包含64位时间戳的低32位和高32位 */

asm：嵌入汇编代码

volatile：不优化

汇编语言用于偏近底层或对执行时间严格要求的地方。

3.分支声明

/* 如果error在绝大多数情况下为0(假) */

if (unlikely(error)) {

/* ... */

}

/* 如果success在绝大多数情况下不为0(真) */

if (likely(success)) {

/* ... */

}

对于条件选择语句，在一个条件经常/很少出现时，编译器可通过gcc内建的一条指令对条件分支选择进行优化。

内核把这条指令封装成了宏。

2.4.3没有内存保护机制

内核自己非法访问内存的风险。

内核中的内存都不分页：每用掉一个字节，物理内存都减少一个。

2.4.4不要轻易在内核中使用浮点数

使用浮点数时，需要人工保存和恢复浮点寄存器及其他一些繁琐的操作。

不建议使用。

2.4.5容积小而固定的栈

内核栈的大小是编译内核时决定的，对于不用的体系结构，内核栈的大小不一样，但都是固定的。（不像用户空间的栈可以动态增长）

2.4.6同步和并发

原因：

  • Linux是抢占多任务操作系统
  • 内核支持对称多处理器系统（SMP）
  • 中断异步到来
  • 内核可以抢占

常用解决方法：自旋锁和信号量

2.4.7可移植性的重要性

需要保持的特点：大部分C语言代码与体系结构无关。

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