Linux內核學習筆記-1.簡介和入門

原創文章，轉載請註明：Linux內核學習筆記-1.簡介和入門 By Lucio.Yang

部份內容來自：Linux Kernel Development（Third Edition），Robert Love，陳莉君等譯。

1.操做系統和內核簡介　　

　　Linux內核是自由公開軟件，使用GNU的General Public License(GPL)第二版做爲限制條款。大多數軟件許可證決意剝奪你共享和修改軟件的自由。相比之下，GNU通用公共許可證試圖保證你共享和修改自由軟件的自由。

　　一般一個內核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、進程間通訊等系統服務程序共同組成。內核獨立於普通應用程序，擁有受保護的內存空間和訪問硬件設備的全部權限，這種系統態和受保護的內存空間，稱之爲內核空間。

　　應用程序經過系統調用與內核通訊。當一個應用程序執行一條系統調用，稱應用程序在內核空間運行，而內核運行於進程上下文。

　　內核還要管理硬件設備。當硬件設備要和系統通訊時，首先發出中斷信號打斷處理器的執行，繼而打斷內核的執行，內核經過中斷號尋找相應的中斷處理程序，並調用這個程序相應和處理中斷。

　　因此，處理器活動的狀況：

　　　　1.運行於用戶空間，執行用戶程序。

　　　　2.運行於內核空間，處於進程上下文。

　　　　3.運行於內核空間，處於中斷上下文。

　　操做系統內核分爲兩大陣營：單內核和微內核。

　　單內核是將內核從總體上做爲一個單獨的大過程來實現，同時運行在一個單獨的地址空間上。內核能夠直接調用函數。大多數Unix爲單內核單模塊。

　　微內核的功能被劃分爲多個獨立的過程，全部的服務器毆打保持獨立並運行在各自的地址空間上，不能像單內核模塊直接調用函數，經過進程間通訊（IPC）機制實現消息傳遞。Windows和Mac OS X基於微內核，可是卻讓所有的服務器進程運行在內核空間，而避免頻繁的上下文切換。

　　Linux是單內核，可是有模塊化設計、搶佔式內核、支持內核線程以及動態裝載內核模塊的特性。

　　與Unix的一些區別：

　　　　1.Linux支持動態加載內核模塊。

　　　　2.Linux支持對稱多處理機制（SMP）。

　　　　3.Linux內核能夠搶佔。

　　　　4.Linux不區分線程和進程。

2.GNU C

　　Linux使用c編寫的，並不徹底符合ANSI C標準，涵蓋了ISO C99和GNU C標準。下面介紹內核使用的C語言拓展的部分。

　　1.內聯（inline）函數

　　　　內聯函數從源代碼層看，有函數的結構，而在編譯後，卻不具有函數的性質。內聯函數不是在調用時發生控制轉移，而是在編譯時將函數體嵌入在每個調用處。所以，能夠消除函數調用和返回帶來的開銷，可是意味着佔用更多的空間。適合將對時間要求高、代碼不長的函數定義爲內聯函數。如：

　　　　static inline void wolf();(MS的C99支持的關鍵字是_inline)。

　　2.內聯彙編

　　　　gcc編譯器支持在c函數中嵌入彙編指令。一般使用asm()指令嵌入代碼。

　　3.分支聲明

　　　　對於條件選擇指令，gcc內創建了一條指令用於優化，在一個條件常常出現（likely），或者該條件常常不多出現的時候（unlikely），編譯器能夠根據這條指令對分支選擇進行優化，從而生成更好的彙編代碼。內核將這條指令封裝成了宏。

　　　　　　#define likely(x)       __builtin_expect((x),1)//表示 x 的值爲真的可能性更大；
　　　　　　#define unlikely(x)     __builtin_expect((x),0)//表示 x 的值爲假的可能性更大。

　　　　用法以下：

　　　　　　if (likely(prev != next)) {   　　　　    next->timestamp = now;        　　　　...　　　　　　} else {　　　　        ...;　　　　　　}