全面解析Linux 内核 3.10.x - 如何开始

Posted 2020-11-09 张凌001

万事开头难 - 如何开始?

人总是对未知的事物充满恐惧！就像航海一样，在面对危难的时候，船员和船长是一样心中充满恐惧的！只是船员始终充满恐惧，而船长却能压抑恐惧并从当前找出突破口！ 
我没有船长之能，但也算入行两年的老船员，我会追随船长一起寻找突破口！而内核如此庞然大物不知从何入手这真的很正常，那么应该的入口在哪里？其实我也不知道，一千个读者就有一千个哈姆雷特。每个人都入口的理解都不一样，有人说是必须有着良好的C编程经验，有人说必须有着对Linux发行版等必要的操作经验，也有的人说一定要数据结构理解的很好，还有的人说你必须的对各种架构的汇编了如指掌！眼花撩乱的知识你又掌握了多少呢？

我列出三点

1.必须有着良好的C语言理解能力，尤其是指针(灵魂嘛) 
2.数据结构确实的能看懂，尤其是链表 
3.一定要有着非常浓厚的兴趣，不成魔，不成活 
第3点尤其最重要,因为兴趣才是王道

 

 

假设你已经对上述内容有了一定的了解或者已经是个老手了！想急需的去更深入的研究内核！ 
那么我们就开始吧！

1. 你应该了解内核源码树

顶层目录

├── arch            --  体系架构相关代码，内核支持市面上所有的主流架构以及N多种CPU
├── block           -- 块设备子系统
├── crypto          -- 加密解密库函数
├── Documentation   -- 说明文档
├── drivers         -- 设备驱动
├── firmware        -- 第三方设备固件
├── fs              -- 文件系统子系统(VFS)
├── include         -- 公共头文件
├── init            -- 启动初始化子系统(如挂载initrd)
├── ipc             -- 进程通信子系统
├── Kbuild          -- 顶层链接文件
├── Kconfig         -- 顶层配置配置
├── kernel          -- 内核核心代码(基本与架构无关，包括调度子系统)
├── lib             -- 公共LIB库函数
├── Makefile        -- 顶层编译文件
├── mm              -- 内存管理子系统
├── net             -- 不包括网络设备驱动的网络子系统
├── README          -- 你懂得
├── samples         -- Demo 代码
├── scripts         -- 编译脚本以及工具
├── security        -- 模块安全相关(SELinux)
├── sound           -- 音频驱动子系统
├── tools           -- 内核辅助工具
├── usr             -- 用户程序(目前只有一个用于initramfs的cpio打包程序)
└── virt            -- 虚拟化相关
├── REPORTING-BUGS  -- Bug 上报流程
├── MAINTAINERS     -- 主要维护者(向社区致敬)
├── CREDITS         -- 贡献者(请牢记伟大的程序员)

 

内核真是太庞大了，目前这个版本的代码量已经到了几百万行之多，那么问题来了，这么多的内容我们应该如何取舍？

2. Linux Kernel 核心功能一览

Linux 核心功能分为五大子系统(进程管理，内存管理，虚拟文件系统，网络子系统，进程间通信)！ 
Ps.下面是网上找了一张图片 

 

1. Process Mangement称作进程管理or进程调度。主要负责管理CPU资源的平衡调度，抢占，异常入口等的管理。主要为了确保各个进程尽量以公平的方式来对CPU执行调度！Ps.这里其实就要说到优先级等相关内容！这部分是必须要研究的一部分！
2. Memory Manager称作内存管理。主要负责管理内存资源的分配以及配额，确保各个进程任务可以放心去共享使用当前的内存资源。此外，内存管理也会提供虚拟内存机制处理，该机制可以让进程使用多于系统可用Memory的内存(也就是内存地址转换)，不用的内存会通过文件系统保存在外部非易失存储器中，需要使用的时候，再取回到内存中。这部分也是必须要研究的一部分!
3. IPC称作进程间通信。它主要负责Linux系统中进程之间的通信,这里跟硬件无关！ 这部分无需多说，必须研究！
4. Network称作网络子系统，主要负责管理系统的网络设备，并实现多种多样的网络标准以及提供各种各样协议的基本协议栈。这部分如果从事网络领域可以仔细研究(难点也是在于协议栈)，这部分可以了先了解！
5. Virtual File System称作虚拟文件系统。Linux内核将不同功能的外部设备，例如Disk设备（硬盘、磁盘、NAND Flash、Nor Flash等）、输入输出设备、显示设备等等，抽象为可以通过统一的文件操作接口（open、close、read、write等）来访问。这部分如果从事存储就必须要研究啦！它往往是结合块设备驱动来进行的！
6. SELinux/AppArmor号称最杰出的操作系统安全子系统,最早由NSA(美国国家安全局)来领导并研发的一套安全子系统！这部分内容如果暂时可以先了解下！

Ps…对了，还忘了说一个非常非常重要的核心，那就是体系架构，因为我当前是Mips，所以首先的熟悉MIPS架构中的一些最基本的处理方式，并且内核中有很多关于MIPS的汇编以及GUN混合MIPS的伪汇编，都需要去啃啊，瞬间好头大！深吸一口气，慢慢来吧！这部分内容作为整体穿插的时候在进行脑补吧！！！！

3.Makefile

好吧，下一节就要进行实战了，这里先脑补一下Makefile. 
Makefile作为构建内核的引线，穿插在各个目录中！那么对它的语法先简单的了解下！ 
基本的 make流程 其实是根据文件的时间戳来更新(读取Makefile) 文件的编译工作 
从一个样例来说明Makefile.

    main:main.o name.o age.o
           gcc main.o name.o age.o -o main
    main.o:main.c
           gcc -c main.c -o main.o
    name.o:name.c
           gcc -c name.c -o name.o
    age.o:age.c
           gcc -c age.c -o age.o
    clean:
          rm *.o main  

基本格式为： 目标生成文件名:源文件 
生成过程(得到结果) 
clean 作为方便的清除Makefike生成的编译文件 
看上述的主文件 
main.c

    #include <stdio.h>                                                                     
    extern void name();
    extern void age();

    int main()
    {
         name();
         age();

         return 0;
    }       
    name.c
    #include <stdio.h>                                                                     

    void name()
    {
         printf("My name is Xw. \\n");
    }

    age.c
    #include <stdio.h>                                                                     

    void age()
    {
         printf("My age is 22........\\n");
    }

• 直接编译可产生结果。 

杂种Shell + Makefile的演变 
当我们的可编译文件越来越多时候，那么即时可能你少了一个.o文件那也直接导致程序崩溃。 
所以这个时候我们的杂种Shell(其实严谨的说不是shell相似而已)就有用了。我们大可以用一个变量去代替你的源文件、也可以代替我们的编译器。如下

     CC=gcc                           //变量代替你的编译器                                                      
     OBJS=main.o name.o age.o       //源文件
     main:$(OBJS)
             $(CC) $^ -o $@
     main.o:main.c
             $(CC) -c $^ -o $@
     name.o:name.c
             $(CC) -c $^ -o $@
     age.o:age.c
             $(CC) -c $^ -o $@
     clean:
             rm *.o main

• 没有出现的<这些命令以后会用到。分别先介绍一下<这些命令以后会用到。分别先介绍一下@ 表示目标文件的完整名称 如上述main main.o name.o age.o等 

表示所有不重复的依赖包名称以空格隔开如上述main.omain.c分别可以做依赖包、因为依赖和被依赖仅仅是方向不一样。其实是可以转化的。当然上述还可以写成。表示所有不重复的依赖包名称以空格隔开如上述main.omain.c分别可以做依赖包、因为依赖和被依赖仅仅是方向不一样。其实是可以转化的。当然上述还可以写成。(CC) -c OBJS−omain.oOBJS−omain.o<表示第一个依赖包名称

Ps.上述仅仅是Makefile 最基本的使用，在内核里完全是另外一回事，但是基本语法是一样的！

*下一节我们就开始内核的Makefile以及其它编译规则的分析*