Linux操做系統內核分析方法

Linux的最大的好處之一就是它的源碼公開。同時，公開的核心源碼也吸引着無數的電腦愛好者和程序員；他們把解讀和分析Linux的核心源碼做爲本身的最大興趣，把修改Linux源碼和改造Linux系統做爲本身對計算機技術追求的最大目標。

Linux內核源碼是很具吸引力的，特別是當你弄懂了一個分析了很久都沒搞懂的問題；或者是 被你修改過了的內核，順利經過編譯，一切運行正常的時候。那種成就感真是油然而生！並且，對內核的分析，除了出自對技術的狂熱追求以外，這種使人生畏的勞 動所帶來的回報也是很是使人着迷的，這也正是它擁有衆多追隨者的主要緣由：

首先，你能夠從中學到不少的計算機的底層知識，如後面將講到的系統的引導和硬件提供的中斷機制等；其它，象虛擬存儲的實現機制，多任務機制，系統保護機制等等，這些都是非都源碼不能體會的。

同時，你還將從操做系統的總體結構中，體會總體設計在軟件設計中的分量和做用，以及一些宏觀設計的方法和技巧：Linux的內核爲上層應用提供一個 與具體硬件不相關的平臺；同時在內核內部，它又把代碼分爲與體系結構和硬件相關的部分，和可移植的部分；再例如，Linux雖然不是微內核的，但他把大部 分的設備驅動處理成相對獨立的內核模塊，這樣減少了內核運行的開銷，加強了內核代碼的模塊獨立性。

並且你還能從對內核源碼的分析中，體會到它在解決某個具體細節問題時，方法的巧妙：如後面將分析到了的Linux經過Botoom_half機制來加快系統對中斷的處理。

最重要的是：在源碼的分析過程當中，你將會被一點一點地、潛移默化地專業化。一個專業 的程序員，老是把代碼的清晰性，兼容性，可移植性放在很重要的位置。他們老是經過定義大量的宏，來加強代碼的清晰度和可讀性，而又不增長編譯後的代碼長度 和代碼的運行效率；他們老是在編碼的同時，就考慮到了之後的代碼維護和升級。 甚至，只要分析百分之一的代碼後，你就會深入地體會到，什麼樣的代碼纔是一個專業的程序員寫的，什麼樣的代碼是一個業餘愛好者寫的。而這一點是任何沒有真 正分析過標準代碼的人都沒法體會到的。

然而，因爲內核代碼的冗長，和內核體系結構的龐雜，因此分析內核也是一個很艱難，很須要毅力的事；在缺少指導和交流的狀況下，尤爲如此。只有方法正確，才能事半功倍。正是基於這種考慮，做者但願經過此文能給你們一些借鑑和啓迪。

因爲本人所進行的分析都是基於2.2.5版本的內核；因此，若是沒有特別說明，如下分析都是基於i386單處理器的2.2.5版本的Linux內核。全部源文件均是相對於目錄/usr/src/linux的。

方法之一：從何入手

要分析Linux內核源碼，首先必須找到各個模塊的位置，也即要弄懂源碼的文件組織形式。雖然對於有經驗的高手而言，這個不是很難；但對於不少初級的Linux愛好者，和那些對源碼分析頗有興趣但接觸很少的人來講，這仍是頗有必要的。

一、Linux核心源程序一般都安裝在/usr/src/linux下，並且它有一個很是簡單的編號約定：任何偶數的核心（的二個數爲偶數，例如2.0.30）都是一個穩定地發行的核心，而任何奇數的核心（例如2.1.42）都是一個開發中的核心。

二、核心源程序的文件按樹形結構進行組織，在源程序樹的最上層，即目錄/usr/src/linux下有這樣一些目錄和文件：

◆ COPYING: GPL版權申明。對具備GPL版權的源代碼改動而造成的程序，或使用GPL工具產生的程序，具備使用GPL發表的義務，如公開源代碼；

◆ CREDITS: 光榮榜。對Linux作出過很大貢獻的一些人的信息；

◆ MAINTAINERS: 維護人員列表，對當前版本的內核各部分都有誰負責；

◆ Makefile: 第一個Makefile文件。用來組織內核的各模塊，記錄了個模塊間的相互這間的聯繫和依託關係，編譯時使用；仔細閱讀各子目錄下的Makefile文件對弄清各個文件這間的聯繫和依託關係頗有幫助；

◆ ReadMe: 核心及其編譯配置方法簡單介紹；

◆ Rules.make: 各類Makefilemake所使用的一些共同規則；

◆ REPORTING-BUGS:有關報告Bug 的一些內容；

● Arch/ ：arch子目錄包括了全部和體系結構相關的核心代碼。它的每個子目錄都表明一種支持的體系結構，例如i386就是關於intel CPU及與之相兼容體系結構的子目錄。PC機通常都基於此目錄；

● Include/: include子目錄包括編譯核心所須要的大部分頭文件。與平臺無關的頭文件在 include/linux子目錄下，與 intel cpu相關的頭文件在include/asm-i386子目錄下,而include/scsi目錄則是有關scsi設備的頭文件目錄；

● Init/： 這個目錄包含核心的初始化代碼(注：不是系統的引導代碼)，包含兩個文件main.c和Version.c，這是研究核心如何工做的好的起點之一。

● Mm/：這個目錄包括全部獨立於 cpu 體系結構的內存管理代碼，如頁式存儲管理內存的分配和釋放等；而和體系結構相關的內存管理代碼則位於arch/*/mm/，例如arch/i386/mm/Fault.c；

● Kernel/：主要的核心代碼，此目錄下的文件實現了大多數linux系統的內核函數，其中最重要的文件當屬sched.c；一樣，和體系結構相關的代碼在arch/*/kernel中；

● Drivers/： 放置系統全部的設備驅動程序；每種驅動程序又各佔用一個子目錄：如，/block 下爲塊設備驅動程序，好比ide（ide.c）。若是你但願查看全部可能包含文件系統的設備是如何初始化的，你能夠看drivers/block /genhd.c中的device_setup()。它不只初始化硬盤，也初始化網絡，由於安裝nfs文件系統的時候須要網絡；

● Documentation/: 文檔目錄,沒有內核代碼，只是一套有用的文檔，惋惜都是English的，看看應該有用的哦；

● Fs/: 全部的文件系統代碼和各類類型的文件操做代碼，它的每個子目錄支持一個文件系統, 例如fat和ext2；

● Ipc/: 這個目錄包含核心的進程間通信的代碼；

● Lib/: 放置核心的庫代碼；

● Net/: 核心與網絡相關的代碼；

● Modules/: 模塊文件目錄，是個空目錄，用於存放編譯時產生的模塊目標文件；

● Scripts/: 描述文件，腳本，用於對核心的配置；

通常，在每一個子目錄下，都有一個 Makefile 和一個Readme 文件，仔細閱讀這兩個文件，對內核源碼的理解頗有用。

對Linux內核源碼的分析，有幾個很好的入口點：一個就是系統的引導和初始化，即 從機器加電到系統核心的運行；另一個就是系統調用，系統調用是用戶程序或操做調用核心所提供的功能的接口。對於那些對硬件比較熟悉的愛好者，從系統的引 導入手進行分析，可能來的容易一些；而從系統調用下口，則可能更合適於那些在dos或Uinx、Linux下有過C編程經驗的高手。