學(xué)會分析Linux內(nèi)核需要多久？8分鐘

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著無數(shù)的電腦愛好者和程序員；他們把解讀和分析Linux的核心源碼作為自己的最大興趣，把修改Linux源碼和改造Linux系統(tǒng)作為自己對計算機技術(shù)追求的最大目標(biāo)。

Linux內(nèi)核源碼是很具吸引力的，特別是當(dāng)你弄懂了一個分析了好久都沒搞懂的問題；或者是被你修改過了的內(nèi)核，順利通過編譯，一切運行正常的時候。那種成就感真是油然而生！而且，對內(nèi)核的分析，除了出自對技術(shù)的狂熱追求之外，這種令人生畏的勞動所帶來的回報也是非常令人著迷的，這也正是它擁有眾多追隨者的主要原因：

首先，你可以從中學(xué)到很多的計算機的底層知識，如后面將講到的系統(tǒng)的引導(dǎo)和硬件提供的中斷機制等；其它，象虛擬存儲的實現(xiàn)機制，多任務(wù)機制，系統(tǒng)保護機制等等，這些都是非都源碼不能體會的。

同時，你還將從操作系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)中，體會整體設(shè)計在軟件設(shè)計中的份量和作用，以及一些宏觀設(shè)計的方法和技巧：Linux的內(nèi)核為上層應(yīng)用提供一個與具體硬 件不相關(guān)的平臺；同時在內(nèi)核內(nèi)部，它又把代碼分為與體系結(jié)構(gòu)和硬件相關(guān)的部分，和可移植的部分；再例如，Linux雖然不是微內(nèi)核的，但他把大部分的設(shè)備 驅(qū)動處理成相對獨立的內(nèi)核模塊，這樣減小了內(nèi)核運行的開銷，增強了內(nèi)核代碼的模塊獨立性。

而且你還能從對內(nèi)核源碼的分析中，體會到它在解決某個具體細節(jié)問題時，方法的巧妙：如后面將分析到了的Linux通過Botoom_half機制來加快系統(tǒng)對中斷的處理。

最重要的是：在源碼的分析過程中，你將會被一點一點地、潛移默化地專業(yè)化。一個專業(yè)的程序員，總是把代碼的清晰性，兼容性，可移植性放在很重要的位置。他們總是通過定義大量的宏，來增強代碼的清晰度和可讀性，而又不增加編譯后的代碼長度和代碼的運行效率；他們總是在編碼的同時，就考慮到了以后的代碼維護和升 級。 甚至，只要分析百分之一的代碼后，你就會深刻地體會到，什么樣的代碼才是一個專業(yè)的程序員寫的，什么樣的代碼是一個業(yè)余愛好者寫的。而這一點是任何沒有真 正分析過標(biāo)準(zhǔn)代碼的人都無法體會到的。

然而，由于內(nèi)核代碼的冗長，和內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的龐雜，所以分析內(nèi)核也是一個很艱難，很需要毅力的事；在缺乏指導(dǎo)和交流的情況下，尤其如此。只有方法正確，才能事半功倍。正是基于這種考慮，作者希望通過此文能給大家一些借鑒和啟迪。由于本人所進行的分析都是基于2.2.5版本的內(nèi)核；所以，如果沒有特別說明，以下分析都是基于i386單處理器的2.2.5版本的Linux內(nèi)核。所有源文件均是相對于目錄/usr/src/linux的。

1

入手方法

01

方法一

要分析Linux內(nèi)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。雖然對于有經(jīng)驗的高手而言，這個不是很難；但對于很多初級的Linux愛好者，和那些對源碼分析很有興趣但接觸不多的人來說，這還是很有必要的。1.Linux核心源程序通常都安裝在/usr/src/linux下，而且它有一個非常簡單的編號約定：任何偶數(shù)的核心（的二個數(shù)為偶數(shù)，例如2.0.30）都是一個穩(wěn)定地發(fā)行的核心，而任何奇數(shù)的核心（例如2.1.42）都是一個開發(fā)中的核心。2.核心源程序的文件按樹形結(jié)構(gòu)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(quán)申明。對具有GPL版權(quán)的源代碼改動而形成的程序，或使用GPL工具產(chǎn)生的程序，具有使用GPL發(fā)表的義務(wù)，如公開源代碼；◆CREDITS: 光榮榜。對Linux做出過很大貢獻的一些人的信息；◆MAINTAINERS: 維護人員列表，對當(dāng)前版本的內(nèi)核各部分都有誰負責(zé)；◆Makefile: 第一個Makefile文件。用來組織內(nèi)核的各模塊，記錄了個模塊間的相互這間的聯(lián)系和依托關(guān)系，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(lián)系和依托關(guān)系很有幫助；◆ReadMe: 核心及其編譯配置方法簡單介紹；◆Rules.make: 各種Makefilemake所使用的一些共同規(guī)則；◆REPORTING-BUGS: 有關(guān)報告Bug 的一些內(nèi)容；●Arch/: arch子目錄包括了所有和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的核心代碼。它的每一個子目錄都代表一種支持的體系結(jié)構(gòu)，例如i386就是關(guān)于intel cpu及與之相兼容體系結(jié)構(gòu)的子目錄。PC機一般都基于此目錄；●Include/: include子目錄包括編譯核心所需要的大部分頭文件。與平臺無關(guān)的頭文件在 include/linux子目錄下，與 intel cpu相關(guān)的頭文件在include/asm-i386子目錄下,而include/scsi目錄則是有關(guān)scsi設(shè)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(tǒng)的引導(dǎo)代碼)，包含兩個文件main.c和Version.c，這是研究核心如何工作的好的起點之一。

●Mm/: 這個目錄包括所有獨立于 cpu 體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)存管理代碼，如頁式存儲管理內(nèi)存的分配和釋放等；而和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)存管理代碼則位于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(xiàn)了大多數(shù)linux系統(tǒng)的內(nèi)核函數(shù)，其中最重要的文件當(dāng)屬sched.c；同樣，和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼在arch/*/kernel中；●Drivers/: 放置系統(tǒng)所有的設(shè)備驅(qū)動程序；每種驅(qū)動程序又各占用一個子目錄：如，/block 下為塊設(shè)備驅(qū)動程序，比如ide（ide.c）。如果你希望查看所有可能包含文件系統(tǒng)的設(shè)備是如何初始化的，你可以看 drivers/block/genhd.c中的device_setup()。它不僅初始化硬盤，也初始化網(wǎng)絡(luò)，因為安裝nfs文件系統(tǒng)的時候需要網(wǎng) 絡(luò)；●Documentation/: 文檔目錄,沒有內(nèi)核代碼，只是一套有用的文檔，可惜都是English的，看看應(yīng)該有用的哦；●Fs/: 所有的文件系統(tǒng)代碼和各種類型的文件操作代碼，它的每一個子目錄支持一個文件系統(tǒng), 例如fat和ext2；●Ipc/: 這個目錄包含核心的進程間通訊的代碼；●Lib/: 放置核心的庫代碼；●Net/: 核心與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的代碼；●Modules/: 模塊文件目錄，是個空目錄，用于存放編譯時產(chǎn)生的模塊目標(biāo)文件；●Scripts/: 描述文件，腳本，用于對核心的配置；一般，在每個子目錄下，都有一個 Makefile 和一個Readme 文件，仔細閱讀這兩個文件，對內(nèi)核源碼的理解很有用。

對Linux內(nèi)核源碼的分析，有幾個很好的入口點：一個就是系統(tǒng)的引導(dǎo)和初始化，即從機器加電到系統(tǒng)核心的運行；另外一個就是系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用是用戶 程序或操作調(diào)用核心所提供的功能的接口。對于那些對硬件比較熟悉的愛好者，從系統(tǒng)的引導(dǎo)入手進行分析，可能來的容易一些；而從系統(tǒng)調(diào)用下口，則可能更合適 于那些在dos或Uinx、Linux下有過C編程經(jīng)驗的高手。這兩點，在后面還將介紹到。

02

方法二

從表面上看，Linux的源碼就象一團扎亂無章的亂麻，其實它是一個組織得有條有理的蛛網(wǎng)。要把整個結(jié)構(gòu)分析清楚，除了找出線頭，還得理順各個部分之間的關(guān)系，有條不紊的一點一點的分析。所謂以程序流程為線索、一線串珠，就是指根據(jù)程序的執(zhí)行流程，把程序執(zhí)行過程所涉及到的代碼分析清楚。這種方法最典型的應(yīng)用有兩個：一是系統(tǒng)的初始化過程；二是應(yīng)用程序的執(zhí)行流程：從程序的裝載，到運行，一直到程序的退出。為了簡便起見，遵從循序漸進的原理，現(xiàn)就系統(tǒng)的初始化過程來具體的介紹這種方法。系統(tǒng)的初始化流程包括：系統(tǒng)引導(dǎo)，實模式下的初始化，保護模式下的初始化共三個部分。下面將一一介紹。linux系統(tǒng)的常見引導(dǎo)方式有兩種：Lilo引導(dǎo)和Loadin引導(dǎo)；同時linux內(nèi)核也自帶了一個bootsect-loader。由于它只能實現(xiàn) linux的引導(dǎo)，不像前兩個那樣具有很大的靈活性（lilo可實現(xiàn)多重引導(dǎo)、loadin可在dos下引導(dǎo)linux）,所以在普通應(yīng)用場合實際上很少 使用bootsect-loader。當(dāng)然，bootsect-loader也具有它自己的優(yōu)點：短小沒有多余的代碼、附帶在內(nèi)核源碼中、是內(nèi)核源碼的有 機組成部分，等等。bootsect-loader在內(nèi)和源碼中對應(yīng)的程序是/Arch/i386/boot/bootsect.S。下面將主要是針對此文件進行的分析。

1.幾個相關(guān)文件：<1> /Arch/i386/boot/bootsect.S<2> /include/linux/config.h<3> /include/asm/boot.h<4> /include/linux/autoconf.h

2.引導(dǎo)過程分析：對于Intel x86 PC , 開啟電源后, 機器就會開始執(zhí)行ROM BIOS的一系列系統(tǒng)測試動作，包括檢查RAM，keyboard，顯示器，軟硬磁盤等等。執(zhí)行完bios的系統(tǒng)測試之后，緊接著控制權(quán)會轉(zhuǎn)移給ROM中 的啟動程序(ROM bootstrap routine)；這個程序會將磁盤上的第0軌第0扇區(qū)（叫boot sector或MBR， 系統(tǒng)的引導(dǎo)程序就放在此處）讀入內(nèi)存中，并放到自0x07C0:0x0000開始的512個字節(jié)處；然后處理機將跳到此處開始執(zhí)行這一引導(dǎo)程序；也即裝入MBR中的引導(dǎo)程序后，CS:IP = 0x07C0:0x0000 。加電后處理機運行在與8086相兼容的實模式下。

如果要用 bootsect-loader進行系統(tǒng)引導(dǎo)，則必須把bootsect.S編譯連接后對應(yīng)的二進制代碼置于MBR； 當(dāng)ROM BIOS 把bootsect.S編譯連接后對應(yīng)的二進制代碼裝入內(nèi)存后，機器的控制權(quán)就完全轉(zhuǎn)交給bootsect； 也就是說，bootsect將是第一個被讀入內(nèi)存中并執(zhí)行的程序。Bootsect接管機器控制權(quán)后，將依次進行以下一些動作：2.1 首先，bootsect將它"自己"(自位置0x07C0:0x0000開始的512個字節(jié))從被ROM

BIOS載入的地址0x07C0:0x0000處搬到0x9000:0000處; 這一任務(wù)由bootsect.S的

前十條指令完成；第十一條指令“jmpi go,INITSEG”則把機器跳轉(zhuǎn)到“新”的bootsect的“jmpi go,INITSEG”后的那條指令“go: mov di,#0x4000-12”；之后，繼續(xù)執(zhí)行bootsect的剩下的代碼；在bootsect.S中定義了幾個常量：

BOOTSEG = 0x07C0 bios 載入 MBR的約定位置的段址；INITSEG = 0x9000 bootsect.S的前十條指令將自己搬到此處(段址)SETUPSEG =0x9020 裝入Setup.S的段址SYSSEG =0x1000 系統(tǒng)區(qū)段址對于這些常量可參見/include/asm/boot.h中的定義；這些常量在下面的分析中將會經(jīng)常用到；2.2 以0x9000:0x4000-12為棧底，建立自己的棧區(qū)；其中0x9000:0x4000-12到0x9000:0x4000的一十二個字節(jié)預(yù)留作磁盤參數(shù)表區(qū)；

2.3 在0x9000:0x4000-12到0x9000:0x4000的一十二個預(yù)留字節(jié)中建立新的磁盤參數(shù)表，之所以叫“新”的磁盤參數(shù)表，是相對于 bios建立的磁盤參數(shù)表而言的。由于設(shè)計者考慮到有些老的bios不能準(zhǔn)確地識別磁盤“每個磁道的扇區(qū)數(shù)”，從而導(dǎo)致

bios建立的磁盤參數(shù)表妨礙磁盤 的最高性能發(fā)揮，所以，設(shè)計者就在bios建立的磁盤參數(shù)表的基礎(chǔ)上通過枚舉法測試，試圖建立準(zhǔn)確的“新”的磁盤參數(shù)表(這是在后繼步驟中完成的)；并把 參數(shù)表的位置由原來的0x0000:0x0078搬到0x9000:0x4000-12；且修改老的磁盤參數(shù)表區(qū)使之指向新的磁盤參數(shù)表；

2.4 接下來就到了load_setup子過程；它調(diào)用0x13中斷的第2號服務(wù)；把第0道第2扇區(qū)開始的連續(xù)的setup_sects (為常量4)個扇區(qū)讀到緊鄰bootsect的內(nèi)存區(qū)；即0x9000:0x0200開始的2048個字節(jié)；而這四個扇區(qū)的內(nèi)容即是 /arch/i386/boot/setup.S編譯連接后對應(yīng)的二進制代碼； 也就是說，如果要用bootsect-loader進行系統(tǒng)引導(dǎo)，不僅必須把bootsect.S編譯連接后對應(yīng)的二進制代碼置于MBR，而且還得把 setup.S編譯連接后對應(yīng)的二進制代碼置于緊跟MBR后的連續(xù)的四個扇區(qū)中；當(dāng)然，由于setup.S對應(yīng)的可執(zhí)行碼是由bootsect裝載的，所以，在我們的這個項目中可以通過修改bootsect來根據(jù)需要隨意地放置setup.S對應(yīng)的可執(zhí)行碼；

2.5 load_setup子過程的唯一出口是probe_loop子過程；該過程通過枚舉法測試磁盤“每個磁道的扇區(qū)數(shù)”;

2.6 接下來幾個子過程比較清晰易懂:打印我們熟悉的“Loading”；讀入系統(tǒng)到0x1000:0x0000; 關(guān)掉軟驅(qū)馬達；根據(jù)的5步測出的“每個磁道的扇區(qū)數(shù)”確定磁盤類型；最后跳轉(zhuǎn)到0x9000:0x0200,即setup.S對應(yīng)的可執(zhí)行碼的入口，將機 器控制權(quán)轉(zhuǎn)交setup.S;整個bootsect代碼運行完畢；

3.引導(dǎo)過程執(zhí)行完后的內(nèi)存印象圖：

出于簡便考慮，在此分析中，我忽略了對大內(nèi)核的處理的分析，因為對大內(nèi)核的處理，只是此引導(dǎo)過程中的一個很小的部分，并不影響對整體的把握。完成了系統(tǒng)的引導(dǎo)后，系統(tǒng)將進入到初始化處理階段。系統(tǒng)的初始化分為實模式和保護模式兩部分。

2

實模式下的初始化

實模式下的初始化,主要是指從內(nèi)核引導(dǎo)成功后，到進入保護模式之前系統(tǒng)所做的一些處理。在內(nèi)核源碼中對應(yīng)的程序是 /Arch/i386/boot/setup.S；以下部分主要是針對此文件進行的分析。這部分的分析主要是要弄懂它的處理流程和INITSEG (9000:0000)段參數(shù)表的建立，此參數(shù)表包含了很多硬件參數(shù)，這些都是以后進行保護模式下初始化，以及核心建立的基礎(chǔ)。

1.幾個其它相關(guān)文件：<1> /Arch/i386/boot/bootsect.S<2> /include/linux/config.h<3> /include/asm/boot.h<4> /include/ asm/segment.h<5> /include/linux/version.h<6> /include/linux/compile.h2.實模式下的初始化過程分析：

INITSEG(9000:0000)段參數(shù)表：（參見Include/linux/tty.h）

* 注：

① Include/linux/tty.h ：

CL_MAGIC and CL_OFFSET here

②Include/linux/tty.h ：

unsigned char rsvd_size; /* 0x2c */

unsigned char rsvd_pos; /* 0x2d */③ 0表示沒有APM BIOS④ 0x0002置位表示支持32位模式⑤ 0表示沒有，0x0aa表示有鼠標(biāo)器

3

保護模式下的初始化

保護模式下的初始化，是指處理機進入保護模式后到運行系統(tǒng)第一個內(nèi)核程序過程中系統(tǒng)所做的一些處理。保護模式下的初始化在內(nèi)核源碼中對應(yīng)的程序是/Arch/i386/boot/compressed/head.S 和 /Arch/i386/KERNEL/head.S ；以下部分主要是針對這兩個文件進行的分析。

1.幾個相關(guān)文件：<1> /Arch/i386/boot/compressed/head.S<2> /Arch/i386/KERNEL/head.S<3> //Arch/i386/boot/compressed/MISC.c<4> /Arch/i386/boot/setup.S<5> /include/ asm/segment.h<6> /arch/i386/kernel/traps.c<7> /include/i386/desc.h<8> /include/asm-i386/processor.h

2.保護模式下的初始化過程分析：一、/Arch/i386/KERNEL/head.S流程：

二、/Arch/i386/boot/compressed/head.S流程：

1.從流程圖中可以看到，保護模式下的初始化主要干了這樣幾件事：

a.解壓內(nèi)核到0x100000處、

b.建立頁目錄和pg0頁表并啟動分頁功能(即虛存管理功能)、

c.保存實模式下測到的硬件信息到empty_zero_page、初始化命令緩存區(qū)、

d.檢測cpu類型、檢查協(xié)處理器、

e.重新建立gdt全局描述符表、和中斷描述附表idt；

2.從頁目錄和pg0頁表可以看出，0�；4M物理內(nèi)存被用作系統(tǒng)區(qū)，它被映射到系統(tǒng)段線性空間的0�；4M和3G�；3G+4M；即系統(tǒng)可以通過訪問這兩個段來訪問實際的0�；4M物理內(nèi)存，也就是系統(tǒng)所在的區(qū)域；

3.本來在實模式下初始化時已經(jīng)建立了全局描述符表gdt,而此處重新建立全局描述符表gdt則主要是出于兩個原因：一個就是若內(nèi)核是大內(nèi)核bzimag，則以 前建立的gdt，可能已經(jīng)在解壓時被覆蓋掉了所以，在這個源碼文件中均只采用相對轉(zhuǎn)移指令jxx nf或jxx nb；二是以前建立的gdt是建立在實地址方式下的，而現(xiàn)在則是在啟用保護虛擬地址方式之后建立的，也即現(xiàn)在的gdt是建立在邏輯地址（即線性地址）上 的；

4.每次建立新的gdt后和啟用保護虛擬地址方式后都必須重新裝載系統(tǒng)棧和重新初始化各段寄存器:cs,ds,es,fs,gs；

5.從實模式下的初始化和保護模式下的初始化過程可以看出，linux系統(tǒng)由實模式進入到保護模式的過程大致如下：

6.由于分頁機制只能在保護模式下啟動，不能在實模式下啟動，所以第一步是必要的；又因為在386保護模式下gdt和idt是建立在邏輯地址(線性地址)上的，所以第三步也是必要的；

7.經(jīng)過實模式和保護模式下的初始后，主要系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布如下：

初始后主要系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布表

從上面對Linux系統(tǒng)的初始化過程的分析可以看出，以程序執(zhí)行流程為線索、一線串珠，就是按照程序的執(zhí)行先后順序，弄懂程序執(zhí)行的各個階段所進行的處理，及其各階段之間的相互聯(lián)系。而流程圖應(yīng)該是這種分析方法最合適的表達工具。

事實上，以程序執(zhí)行流程為線索，是分析任何源代碼都首選的方法。由于操作系統(tǒng)的特殊性，光用這種方法是遠遠不夠的。當(dāng)然用這種方法來分析系統(tǒng)的初始化過程或用戶進程的執(zhí)行流程應(yīng)該說是很有效的。