第一章 Linux内核简介

1. Unix内核的特点

• 简洁：仅提供系统调用并有一个非常明确的设计目的
• 抽象：几乎所有东西都被当做文件
• 可移植性：使用C语言编写，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
• 进程：创建迅速，一次执行保质保量地完成一个任务；独特的fork系统调用
• 清晰的层次化结构：策略和机制分离的理念，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

2. 关于Linux内核简介

• Linux是基于Unix的类Unix系统，设计思想相似，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内核是自由公开软件。
• Linux系统的基础是内核、C库、工具集和系统的基本工具。

3. 操作系统和内核简介

• 操作系统是整个系统中负责完成最基本功能和系统管理的部分。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。
• 内核是操作系统的核心。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。
• 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。（内核空间即这种系统态和被保护起来的内存空间）
• 用户态：执行普通用户程序时，系统以用户态进入用户空间执行。（应用程序在用户空间执行，只能看到允许它们使用的部分系统资源，并只使用某些特定的系统功能，不能直接访问系统硬件，也不能访问其他的内核划给别人的内存范围）
• 系统中运行的应用程序通过系统调用来与内核通信。（应用程序通过系统调用界面陷入内核，是应用程序完成工作的基本行为方式）
• 中断机制：一个异步的中断信号打断处理器的执行，继而打断内核的执行。中断通常对应一个中断号，内核通过中断号查找相应的中断服务程序，并调用这个程序响应和处理中断。
• 每个处理器在任何指定时间点上的活动必然是以下三者之一：
• 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

4. Linux内核和传统Unix内核的比较

• 单内核
  • 整个内核都在一个大内核地址空间上运行。
  • 优点：简单、高效。所有内核都在一个大的地址空间上，所以内核各个功能之间的调用和调用函数类似，几乎没有性能开销。
  • 缺点：一个功能的崩溃会导致整个内核无法使用。
  • 微内核 
    • 内核按功能被划分成各个独立的过程。每个过程独立的运行在自己的地址空间上。
    • 优点：安全。内核的各种服务独立运行，一种服务挂了不会影响其他服务。
    • 缺点：内核各个服务之间的调用涉及进程间的通信，比较复杂且效率低。
    • Linux内核设计
      • ·  基于单内核
      • 具备微内核的一些特征：模块化设计、抢占式内核、支持内核线程、动态装载内核模块。
      • 规避微内核设计上的性能缺陷：让所有事情运行在内核态，直接调用函数，无需消息传递。
      • Linux内核特征
      • - 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

- 不区分线程和进程

5. Linux内核版本

Linux内核有两种：稳定的（具有工业级的强度，可以广泛应用和部署）、处于开发中的。

Linux命名机制（可用于区分稳定的和处于开发中的内核）：

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。

第二章 从内核出发

一、获取内核源码

1. Git

git实际上是一种开源的分布式版本控制工具。 Linux作为一个开源的内核，其源代码也可以用git下载和管理

- 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.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

关于参数：

-x 解开.tar格式的文件

-v 显示详细信息

-j 使用bzip2程序

-z 使用gzip程序

-f 使用归档文件

3. 使用补丁

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

二、内核源码结构

三、编译内核

3.1 配置内核

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（module意味着该配置被选定了，以模块生成。驱动程序一般都用三选一的配置项）

字符页面的命令行工具：

make config

图形界面工具：

make menuconfig

基于默认配置为体系结构创建一个配置：

make defconfig

验证和更新配置：

make oldconfig

3.2 编译内核

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

3.3 安装新内核

将所有已编译的模块安装到正确的主目录/lib/modules下

make modules_install

四、内核开发特点

1. 无libc库/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. 必须使用GNU 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。

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

4. 难以执行浮点运算

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

5. 每个进程只有一个很小的定长堆栈

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）

6. 必须时刻注意同步和并发

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

7. 考虑可移植性的重要性

需要保持的特点：大部分C语言代码与体系结构无关。