《Linux内核设计与实现》读书笔记——第一、 二章

《Linux内核设计与实现》读书笔记——第一、 二章

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第一章 Linux内核简介

1.Unix内核特点

1. 十分简洁：仅提供几百个系统调用并且有明确的目的；
2. 在Unix中，大部分东西都被（或者正致力于）被当做文件对待；
3. Unix内核即相关系统工具软件都是用C语言编写的，这使得系统有着强大的可移植性；
4. Unix进程创建非常迅速，目标在于一次执行保质保量地完成一个任务
5. 进程创建迅速:有独特的fork()系统调用，一次执行保质保量地完成一个任务。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，这种策略和机制分离的理念确保了Unix系统具备清晰的层次化结构。
6. Unix已经发展成一个支持抢占式多任务、多线程、虚拟内存、换页、动态链接和TCP/IP网络的现代化操作系统。

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2.Linux与Unix的前世今生

• Linux是基于Unix的类系统，比如它也实现了Unix的API；但是Linux没有直接使用Unix的源代码，但它没有抛弃Unix的设计目标并且保证了应用程序编程接口的一致。

• Linux是非商业的产品，任何人都可以参与到它的开发中，是自由公开软件。

• Linux系统的基础是内核，C库，工具集和系统的基本工具

• Unix内核与Linux内核的比较

    ·Unix内核是一个不可分割的静态可执行库，通常需要硬件系统提供页机制（MMU）以管理内存；
    ·Linux支持动态加载内核模块，并且是可抢占的。
  

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3.操作系统和内核简介

• 操作系统是指在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。
• 用户界面是操作系统的表象，内核是操作系统的核心，系统其它部分必须依靠内核这部分软件提供的服务。通常一个内核由负责响应中断的中断服务程序、负责管理多个进程从而分享处理器时间的调度程序、负责管理进程地址空间的内存管理程序和网络、进程之间通信等系统服务程序共同组成。
• 内核独立于普通应用程序，一般处于系统态，拥有受保护的内存空间和访问硬件设备的所有权限。这种系统态和被保护起来的内存空间，统称为内核空间。
• 在系统中运行的应用程序通过系统调用来与内核通信。

应用程序完成其工作的基本行为方式是：应用程序通过系统调用界面陷入内核。

处理器的活动必然其下三者之一：

• 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

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4.内核分类

1. 单内核（比如大多数Unix及Linux）
   
   把它从整体上作为一个大的单独的过程来实现，同时运行在一个单独的地址空间上

内核直接调用函数。Linux是单内核。

简单，性能高
2. 微内核（比如Windows NT）
   
   微内核的功能被划分为多个独立的功能，每个过程叫做一个服务器；便于处理内核间通信，还使用了IPC机制，基于微内核的系统都让大部分或全部服务器位于内核；

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5.Linux内核版本

Linux内核有两种：稳定的和开发中的。

如果版本号是偶数，则内核是稳定版；如果是奇数，内核就是开发版。

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第二章 从内核出发

1.获取内核源码

使用git获取源码：

git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git
git pull # 更新分支到Linux的最新分支

安装内核源代码：

• 如果压缩形式是bzip2，则运行：tar xvjf linux-x.y.z.tar.bz2
• 如果压缩形式是GNU的zip，则运行：tar xvzf linux-x.y.z.tar.gz

PS：如果使用git获取就不需要下载压缩文件，运行git clone命令，git就会下载解压最新的源代码

PS2:内核源代码一般安装在/usr/src/linux目录下，即使在安装新内核时，/usr/src/linux目录应当保证原封不动，不要将其用于开发，不要以root身份对内核进行修改。

使用补丁

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

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2.内核源码树

内核源码树由很多目录组成，而大多数目录又包含更多的子目录

目录  描述
arch    特定体系结构的源码
crypto  Crypto API
Documentation   内核源码文档
drivers 设备驱动程序
fs  VFS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 通用内核函数
mm  内存管理子系统和VM
net 网络子系统
scripts 编译内核所用的脚本
security    Linux安全模块
sound   语音子系统
usr 早期用户空间代码 (所谓的 initramfs)

3.编译内核

3.1 配置内核

1. 字符页面的命令行工具：make config
2. 图形界面工具make menuconfig
3. 基于默认配置为体系结构创建一个配置：make defconfig
4. 验证和更新配置：make oldconfig

配置项的二选一和三选一：

二选一：yes 或者 no

三选一：yes 或者 no 或者 module（以模块生成）

3.2 编译内核

make

重定向到该文件中：make > .. /detritus

把无用的输出信息重定向到永无返回值的黑洞中：

make > /dev/null

衍生多个编译作业

make jn # n是衍生出的作业数，每个处理器可以衍生出1或2个作业，16核时n可取32.

3.3 安装新内核

以root身份运行 make modules_install

所有已编译的模块都会安装到lib/modules下

System.map这个文件是一份符号对照表

4.内核开发的特点

1. 内核开发时既不能访问C库也不能访问标准的C头文件 应对：include/linux文件夹中包含了所需的内核头文件。

2. 内核编程时必须使用GNU C

    ·内联函数： 函数会在所调用的位置上展开。 定义时，需要使用static作为关键字，用inline限定它。 内联函数必须在使用之前就定义好，一般在头文件中定义。 内核中优先使用内联函数而不是宏。
    ·内联汇编： 通常使用asm()指令嵌入汇编代码，用volatile表示不优化
    ·分支声明： unlikely(x) - x很少出现，绝少发生，通常为假 likely(y) - y经常出现，通常为真
   

3. 内核编程时缺乏像用户空间那样的内存保护机制
   
   内核中内存不分页。

4. 内核编程时难以执行浮点运算

5. 内核给每个进程只有一个很小的定长堆栈

6. 由于内核支持异步中断、抢占和SMP（对称多处理系统），必须时刻注意同步和并发。（常用的解决竞争的方法：自旋锁和信号量）。

7. 要考虑可移植性的重要性（诸如保持字节序，64位对其，不假定字长和页面长度等。）