Linux第一二章筆記

第一章 Linux內核簡介

1. Unix內核的特色

• 簡潔：僅提供系統調用並有一個很是明確的設計目的
• 抽象：幾乎全部東西都被當作文件
• 可移植性：使用C語言編寫，使得其在各類硬件體系架構面前都具有使人驚異的移植能力
• 進程：建立迅速，一次執行保質保量地完成一個任務；獨特的fork系統調用
• 清晰的層次化結構：策略和機制分離的理念，簡單的進程間通訊元語把單一目的的程序方便地組合在一塊兒

2. 關於Linux內核簡介

• Linux是基於Unix的類Unix系統，設計思想類似，好比它也實現了Unix的API。可是Linux沒有直接使用Unix的源代碼，但它沒有拋棄Unix的設計目標而且保證了應用程序編程接口的一致。
• Linux內核是自由公開軟件。
• Linux系統的基礎是內核、C庫、工具集和系統的基本工具。

3. 操做系統和內核簡介

• 操做系統是整個系統中負責完成最基本功能和系統管理的部分。包括內核、設備驅動程序、啓動引導程序、命令行Shell或者其餘種類的用戶界面、基本的文件管理工具和系統工具。
• 內核是操做系統的核心。一般一個內核由負責響應中斷的中斷服務程序、負責管理多個進程從而分享處理器時間的調度程序、負責管理進程地址空間的內存管理程序和網絡、進程之間通訊等系統服務程序共同組成。
• 系統態：擁有受保護的內存空間和訪問硬件設備的全部權限。（內核空間即這種系統態和被保護起來的內存空間）
• 用戶態：執行普通用戶程序時，系統以用戶態進入用戶空間執行。（應用程序在用戶空間執行，只能看到容許它們使用的部分系統資源，並只使用某些特定的系統功能，不能直接訪問系統硬件，也不能訪問其餘的內核劃給別人的內存範圍）
• 系統中運行的應用程序經過系統調用來與內核通訊。（應用程序經過系統調用界面陷入內核，是應用程序完成工做的基本行爲方式）
• 中斷機制：一個異步的中斷信號打斷處理器的執行，繼而打斷內核的執行。中斷一般對應一箇中斷號，內核經過中斷號查找相應的中斷服務程序，並調用這個程序響應和處理中斷。
• 每一個處理器在任何指定時間點上的活動必然是如下三者之一： 
• 運行於用戶空間，執行用戶進程
• 運行於內核空間，處於進程上下文，表明某個特定的進程執行
• 運行於內核空間，處於中斷上下文，與任何進程無關，處理某個特定的中斷

 

4. Linux內核和傳統Unix內核的比較

• 單內核 
  • 整個內核都在一個大內核地址空間上運行。
  • 優勢：簡單、高效。全部內核都在一個大的地址空間上，因此內核各個功能之間的調用和調用函數相似，幾乎沒有性能開銷。
  • 缺點：一個功能的崩潰會致使整個內核沒法使用。
  • 微內核 
    • 內核按功能被劃分紅各個獨立的過程。每一個過程獨立的運行在本身的地址空間上。
    • 優勢：安全。內核的各類服務獨立運行，一種服務掛了不會影響其餘服務。
    • 缺點：內核各個服務之間的調用涉及進程間的通訊，比較複雜且效率低。
    • Linux內核設計
      • ·  基於單內核
      • 具有微內核的一些特徵：模塊化設計、搶佔式內核、支持內核線程、動態裝載內核模塊。
      • 規避微內核設計上的性能缺陷：讓全部事情運行在內核態，直接調用函數，無需消息傳遞。
      • Linux內核特徵
      • - 支持動態加載內核模塊

- 支持對稱多處理（SMP）

- 內核能夠搶佔（preemptive），容許內核運行的任務有優先執行的能力

- 不區分線程和進程

5. Linux內核版本

Linux內核有兩種：穩定的（具備工業級的強度，能夠普遍應用和部署）、處於開發中的。

Linux命名機制（可用於區分穩定的和處於開發中的內核）：

若是版本號是偶數，則內核是穩定版；若是是奇數，內核就是開發版。

 

 

 

第二章 從內核出發

1、獲取內核源碼

1. Git

git其實是一種開源的分佈式版本控制工具。 Linux做爲一個開源的內核，其源代碼也能夠用git下載和管理

- 獲取最新提交到版本樹的一個副本

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

- 下載代碼後，更新本身的分支到最新分支

- $ git pull

2.安裝內核源代碼

壓縮形式爲bzip2：$ tar xvjf linux-x.y.z.tar.bz2

壓縮形式爲zip：$ tar xvzf linux-x.y.z.tar.gz

關於參數：

-x 解開.tar格式的文件

-v 顯示詳細信息

-j 使用bzip2程序

-z 使用gzip程序

-f 使用歸檔文件

3. 使用補丁

從內部源碼樹開始，運行$ patch -p1 < ../patch-x,y,z

2、內核源碼結構

 

3、編譯內核

3.1 配置內核

配置項的二選一和三選一：

二選一：yes 或者 no

三選一：yes 或者 no 或者 module（module意味着該配置被選定了，以模塊生成。驅動程序通常都用三選一的配置項）

字符頁面的命令行工具：

make config

 

圖形界面工具：

make menuconfig

 

基於默認配置爲體系結構建立一個配置：

make defconfig 

 

驗證和更新配置：

make oldconfig

3.2 編譯內核

編譯內核：

make

 

重定向到該文件中：

make > .. /detritus

 

把無用的輸出信息重定向到永無返回值的黑洞中：

make > /dev/null

3.3 安裝新內核

將全部已編譯的模塊安裝到正確的主目錄/lib/modules下

make modules_install

4、內核開發特色

1. 無libc庫/標準頭文件

緣由：（速度與大小）保證內核高效和簡練。

內核源代碼文件不能包含外部頭文件。 

基本頭文件：內核源代碼頂級目錄下的include中

體系結構相關頭文件：內核源代碼樹的arch/<architecture>/include/asm目錄下

printk()函數：把格式化好的字符串拷貝到內核日誌緩衝區上，syslog程序能夠經過讀取該緩衝區來獲取內核信息。

2. 必須使用GNU C

什麼是GNU？GNU是一種操做系統，GNU提供的C編譯器就是咱們以前使用的gcc。

（1）內聯函數

static inline void wolf(unsigned long tail_size);

- static：關鍵字

- inline：用於限定關鍵字

內聯函數：編譯時在它被調用的地方展開。 

優勢：減小了函數調用的開銷，性能較好。

缺點：頻繁的使用內聯函數也會使代碼變長，從而在運行時佔用更多的內存。

定義內聯函數特色：時間要求高，自己長度較短的函數。

使用以前就要定義好內聯函數，通常在頭文件中定義。

爲了類型安全和易讀性，優先使用內聯函數而不是複雜的宏。

（2）內聯彙編

unsigned int low, high;

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

/* low 和 high 分別包含64位時間戳的低32位和高32位 */

- asm：嵌入彙編代碼

- volatile：不優化

彙編語言用於偏近底層或對執行時間嚴格要求的地方。

（3）分支聲明

/* 若是error在絕大多數狀況下爲0(假) */

if (unlikely(error)) {

    /* ... */

}

 

/* 若是success在絕大多數狀況下不爲0(真) */

if (likely(success)) {

    /* ... */

}

對於條件選擇語句，在一個條件常常/不多出現時，編譯器可經過gcc內建的一條指令對條件分支選擇進行優化。

內核把這條指令封裝成了宏。

3. 沒有內存保護機制

內核本身非法訪問內存的風險

內核中的內存都不分頁：每用掉一個字節，物理內存都減小一個

4. 難以執行浮點運算

使用浮點數時，須要人工保存和恢復浮點寄存器及其餘一些繁瑣的操做。

不建議使用

5. 每一個進程只有一個很小的定長堆棧

內核棧的大小是編譯內核時決定的，對於不用的體系結構，內核棧的大小不同，但都是固定的。（不像用戶空間的棧能夠動態增加）

6. 必須時刻注意同步和併發

緣由： 

Linux是搶佔多任務操做系統

內核支持對稱多處理器系統（SMP）

中斷異步到來

內核能夠搶佔

經常使用解決方法：自旋鎖和信號量

7. 考慮可移植性的重要性

須要保持的特色：大部分C語言代碼與體系結構無關。