LINUX内核设计与实现第三周读书笔记

第一章 LINUX内核简介

1.1 Unix的历史

1969年的夏天，贝尔实验室的程序员们在一台PDR-7型机上实现了Unix这个全新的操作系统。
1973年，整个Unix系统用C语言进行了重写，给后来Unix系统的广泛移植铺平了道路。
伯克利的第一个Unix演化版是1977年推出的1BSD系统。
伯克利真正独立开发的Unix系统是于1979年推出的3BSD系统，支持虚拟内存。
1994年重写了虚拟内存子系统，推出了最终官方版，即4.4BSD。

Unix内核的特点:

首先，Unix很简洁，仅仅提供几百个系统调用并且有一个非常明确的设计目的。
在Unix中，所有的东西都被当做文件对待。
Unix内核和相关的系统工具软件是用C语言编写而成的，使得其在各种硬件体系架构面前都具备令人惊异的移植能力。
Unix的进程创建非常迅速，并且有一个非常独特的fork系统调用。
Unix提供了一套非常简单但又很稳定的进程间通信元语，把目标放在一次执行保质保量地完成一个任务上。

1.2Linux简介

Linux是类Unix系统，没有直接使用Unix的源代码，但也没有抛弃Unix的设计目标并且保证了应用程序编程接口的一致性。

Linux内核也是自由（公开）软件。

1.3操作系统和内核简介

操作系统：整个系统中负责完成最基本功能和系统管理的部分。

内核（管理者或者操作系统核心）：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、进程间通信等系统服务程序共同组成。

内核空间：系统态和被保护起来的内存空间。

在系统中运行的应用程序通过系统调用来与内核通信。

将每个处理器在任何指定时间点上的活动必然概括为：

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

1.4Linux内核和传统Unix内核的比较

单内核：把它从整体上作为一个单独的大过程来实现，同是也运行在一个单独的地址空间上。

微内核：功能被划分成各个独立的过程。每个过程叫做一个服务器。

Linux是一个单内核，汲取了微内核的精华：模块化设计、抢占式内核、支持内核线程以及动态装载内核模块的能力。让所有事情运行在内核态，直接调用函数，无需消息传递。

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
不区分线程和其他的一般进程
提供具有设备类的面向对象的设备模型、热插拔事件，以及用户空间的设备文件系统。

1.5Linux内核版本

版本号为2.6.30.1的内核，主版本号是2，从版本号是6，修订版本号是30，稳定版本号是1。

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

2.1.2安装内核源代码

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

2.1.3使用补丁

从内部源码树开始，只需运行$ patch -p1 < ../patch-x,y,z

2.2内核源码树

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
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 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
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）
tools 在Linux开发中有用的工具
virt 虚拟化基础结构
COPYIN文件是内核许可证
CREDITS是开发者列表
MAINTAINTERS是维护者列表（维护内核子系统和驱动程序）

2.3编译内核

2.3.1 配置内核

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：先将/boot目录下的配置文件写进.config文件中，采用的是注释的形式写进新增加的功能。
zcat /proc/config.gz > .config：配置选项CONFIG_IKCONFIG_PROC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

$ make > ../detritus

将错误报告和警告信息重定向到文件中

$ make > /dev/null

将无用的输出信息重定向到/dev/null中

2.3.3衍生多个编译作业

make程序能把编译过程拆分成多个并行的作业。其中每个作业独立并发地运行，有助于加快多处理器系统上的编译过程，也有利于改善处理器的利用率。默认情况下，make只衍生一个作业。

$ make -jn

以多个作业编译内核

2.3.4安装新内核

% make modules_install

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

2.4.1无libc库抑或无标准头文件

原因：（速度与大小）保证内核高效和简练。

内核源代码文件不能包含外部头文件。

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/<architecture>/include/asm目录下。

printk()函数：把格式化好的字符串拷贝到内核日志缓冲区上，syslog程序可以通过读取该缓冲区来获取内核信息。

2.4.2GNU 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

static inline void wolf(unsigned long tail_size);

static：关键字

inline：用于限定关键字

内联函数：编译时在它被调用的地方展开。

优点：减少了函数调用的开销，性能较好。
缺点：频繁的使用内联函数也会使代码变长，从而在运行时占用更多的内存。

定义内联函数特点：时间要求高，本身长度较短的函数。

使用之前就要定义好内联函数，一般在头文件中定义。

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

unsigned int low, high;

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

/* low 和 high 分别包含64位时间戳的低32位和高32位 */

asm：嵌入汇编代码

volatile：不优化

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

/* 如果error在绝大多数情况下为0(假) */

if (unlikely(error)) {

/* ... */

}

/* 如果success在绝大多数情况下不为0(真) */

if (likely(success)) {

/* ... */

}

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

内核自己非法访问内存的风险。

内核中的内存都不分页：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

使用浮点数时，需要人工保存和恢复浮点寄存器及其他一些繁琐的操作。

不建议使用。

2.4.5容积小而固定的栈

内核栈的大小是编译内核时决定的，对于不用的体系结构，内核栈的大小不一样，但都是固定的。（不像用户空间的栈可以动态增长）

2.4.6同步和并发

原因：

Linux是抢占多任务操作系统
内核支持对称多处理器系统（SMP）
中断异步到来
内核可以抢占

常用解决方法：自旋锁和信号量

2.4.7可移植性的重要性

需要保持的特点：大部分C语言代码与体系结构无关。