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《linux内核设计与实现》读书笔记第一、二章

2016-03-16 21:18 411 查看

第一章 Linux内核简介

1.1 Unix的历史


1971年，Unix被移植到PDP-11型机中。
1973年，Unix操作系统用C语言改写——为Unix系统的广泛移植铺平了道路。
1977年，伯克利推出1BSD系统
1994年，伯克利推出Unix系统的最终官方版——4.4BSD


unix强大的根本原因

（1）简洁：仅提供系统调用并有一个非常明确的设计目的
（2）抽象：所有东西都被当做文件对待
（3）可移植性：使用C语言编写，可移植能力强
（4）进程：创建迅速，独特的fork系统调用 ；
（5）清晰的层次化结构：一次执行保质保量地完成一个任务，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

1.2 追寻Linux足迹：Linux简介


1991年，Liunx Torvalds开发了Linux


Linux的特点：
（1）是类Unix系统，但不是Unix
（2）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。
（3）Linux系统的基础是内核、C库、工具集和系统的基本工具。

1.3　操作系统和内核简介

操作系统

是指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、启动引导程序、命令行shell或者其他种类的用户界面、基本的文件管理工具和系统工具。


内核

被称作是管理者或者操作系统的核心。其组成包括：


（1）响应中断的中断服务程序
（2）管理多个进程，分享处理器时间的调度程序
（3）管理进程地址空间的内存管理程序
（4）网络、进程间通信等系统服务程序


每个处理器在任何指定时间点上的活动必然概括为下列三者之一：

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

1.4　Linux内核和传统Unix内核的比较

单内核和微内核设计之比较

Linux的内核虽然是基于单内核的，也具备微内核的一些特征。 主要有以下特征：



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

不区分线程和进程


1.5　Linux内核版本

版本号：2.6.26.1 其中，


2 —— 主版本号
6 —— 从版本号或副版本号
26 —— 修订版本号
1 —— 稳定版本号

副版本号表示这个版本是稳定版（偶数）还是开发版（奇数），上面例子中的版本号是稳定版


1.6　Linux内核开发者社区


可以在http://vegr.kernel.org上订阅邮件。


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


有了这两个命令，就可以获取并随时保持与内核官方的代码数一致。

2.1.1　安装内核源代码

内核压缩以GNU zip和bzip2两种



压缩形式为bzip2
运行：$ tar xvjf linux-x.y.z.tar.bz2

压缩形式为zip
运行：$ tar xvzf linux-x.y.z.tar.gz


注释（xvjf、xvzf）：



-x 解开；

-v 显示详细信息；

-j 使用bzip2程序；

-z 使用gzip程序；

-f 使用归档文件；


内核源码一般安装在/usr/src/linux目录下。


不要以root身份对内核进行修改。


2.1.3　使用补丁

应用增量补丁，从内部代码树开始，只需运行


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


2.2　内核源码树

目录说明
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
fsVFS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
securityLinux 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：内核许可证；
CREDITS：内核代码的开发者列表；
MAINTAINTERS：维护者列表——负责维护内核子系统和驱动程序；
Makefile：是基本内核的Makefile；


2.3　编译内核

2.3.1　配置内核

1、配置项


(1)二选一：yes/no
(2)三选一：yes/no/module
module：选定该配置项但编译的时候以模块形式生成（多用于驱动程序）


2、内核配置工具


$ make config 最简单的一个字符界面下的命令行工具;
$ make menuconfig 基于ncurse库的图形界面工具；
$ make gconfig 基于gtk+的图形工具;


3、内核配置命令


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：在修改过配置文件之后，或者在用已有的配置文件配置新的代码树的时候，应该验证和更新配置。
zcat /proc/config.gz > .config：从/proc下复制出配置文件并且使用它来编译一个内核

配置选项CONFIGIKCONFIGPROC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



不看错误报告和警告信息，对输出重定向
$ make > ../detritus

把无用的输出信息重定向到永无返回值的黑洞/dev/null中 $ make > /dev/null


2.3.3　衍生多个编译作业



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）


2.3.4　安装新内核



模块的安装，以root身份，运行
% make modules_install
这样可以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文件；是一个符号对照表；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

Linux内核编程与用户空间内应用程序开发的差异



Linux内核编程时不能访问C库

Linux内核编程时必须使用GNU C

Linux内核编程时缺乏像用户空间那样的内存保护机制。

Linux内核编程时浮点数很难使用。

内核只有一个很小的定长堆栈。

由于内核支持异步中断、抢占式和SMP，因此必须时刻注意同步和并发。

要考虑可移植性的重要性。


2.4.1　无libc库抑或无标准头文件

内核不能使用函数库的原因：速度与大小，这些库对内核来说太大且太低效了。


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//include/asm目录下
printk()函数：运行指定一个标志来设置优先级，syslogd会根据这个优先级标志来决定在什么地方显示这条系统消息。
- 优先级标志是预处理程序定义的一个描述性字符串，在编译时优先级标志就与要打印的消息绑在一起处理。


2.4.2　GNU 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
内联函数：对时间要求比较高而本身长度比较短，一般定义在头文件中。



定义一个内联函数，用static作关键字，用inline限定它。
static inline void wolf(unsigned long tail_size);

在内核中，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


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


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


内核中发生的内存错误会导致oops

内核中的内存不分页：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


与用户空间进程不同，内核不完美支持浮点操作，因为他本身不能陷入


2.4.5　容积小而固定的栈


内核栈的准确大小随体系结构而变
每个体系结构对应的内核栈的大小时固定的，不能动态增长。


2.4.6　同步和并发


Linux是抢占多任务操作系统。
Linux内核支持多处理器系统。
中断是异步到来的，完全不顾及当前正在执行的代码。
Linux内核可以抢占。


2.4.7　可移植性的重要性

能提高移植性的准则


保持字节序
64位对齐
不假定字长和页面长度


小结


1、很喜欢作者把章节分的很细，每一章节的内容很短，但又可以把每个部分讲解清楚，读起来不会觉得枯燥不耐烦。
2、配合这课本的知识讲解，使我对网课的学习有了更多的思考，了解到内核，其实和应用程序一样也是一些代码（可以用C、java或其他语言编写），但唯一的区别就是，他们在物理内存中的组织形式不同，管理方式也不同，内核程序是管理应用程序，并为应用程序服务的。它需要更能加严谨的编码，要求几乎100%的无差错。这是我学习完内核后的一些浅显的理解。


参考资料


1：《Linux内核设计与实现》（原书第三版）

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