淺談Linux內核解讀入門

針對好多Linux 愛好者對內核很有興趣卻無從下口，本文旨在介紹一種解讀linux內核源碼的入門方法，而不是解說linux復雜的內核機制；
　　一．核心源程序的文件組織：
　　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：任何偶數的核心（例如2.0.30）都是一個穩(wěn)定地發(fā)行的核心，而任何奇數的核心（例如2.1.42）都是一個開發(fā)中的核心。
　　本文基于穩(wěn)定的2.2.5源代碼，第二部分的實現(xiàn)平臺為 Redhat Linux 6.0。
　　2．核心源程序的文件按樹形結構進行組織，在源程序樹的最上層你會看到這樣一些目錄：
　　●Arch ：arch子目錄包括了所有和體系結構相關的核心代碼。它的每一個子目錄都代表一種支持的體系結構，例如i386就是關于intel cpu及與之相兼容體系結構的子目錄。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。與平臺無關的頭文件在 include/linux子目錄下，與 intel cpu相關的頭文件在include/asm-i386子目錄下，而include/scsi目錄則是有關scsi設備的頭文件目錄；
　　●Init： 這個目錄包含核心的初始化代碼（注：不是系統(tǒng)的引導代碼），包含兩個文件main.c和Version.c，這是研究核心如何工作的一個非常好的起點。
　　●Mm ：這個目錄包括所有獨立于 cpu 體系結構的內存管理代碼，如頁式存儲管理內存的分配和釋放等；而和體系結構相關的內存管理代碼則位于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linux系統(tǒng)的內核函數，其中最重要的文件當屬sched.c；同樣，和體系結構相關的代碼在arch/*/kernel中；
　　●Drivers： 放置系統(tǒng)所有的設備驅動程序;每種驅動程序又各占用一個子目錄：如，/block 下為塊設備驅動程序，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，也初始化網絡，因為安裝nfs文件系統(tǒng)的時候需要網絡其他： 如， Lib放置核心的庫代碼; Net，核心與網絡相關的代碼; Ipc，這個目錄包含核心的進程間通訊的代碼; 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;
　　scripts， 此目錄包含用于配置核心的腳本文件等。
　　一般，在每個目錄下，都有一個 .depend 文件和一個 Makefile 文件，這兩個文件都是編譯時使用的輔助文件，仔細閱讀這兩個文件對弄清各個文件這間的聯(lián)系和依托關系很有幫助；而且，在有的目錄下還有Readme 文件，它是對該目錄下的文件的一些說明，同樣有利于我們對內核源碼的理解；
　　二．解讀實戰(zhàn)：為你的內核增加一個系統(tǒng)調用
　　雖然，Linux 的內核源碼用樹形結構組織得非常合理、科學，把功能相關聯(lián)的文件都放在同一個子目錄下，這樣使得程序更具可讀性。然而，Linux 的內核源碼實在是太大而且非常復雜，即便采用了很合理的文件組織方法，在不同目錄下的文件之間還是有很多的關聯(lián)，分析核心的一部分代碼通常會要查看其它的幾個相關的文件，而且可能這些文件還不在同一個子目錄下。
　　體系的龐大復雜和文件之間關聯(lián)的錯綜復雜，可能就是很多人對其望而生畏的主要原因。當然，這種令人生畏的勞動所帶來的回報也是非常令人著迷的：你不僅可以從中學到很多的計算機的底層的知識（如下面將講到的系統(tǒng)的引導），體會到整個操作系統(tǒng)體系結構的精妙和在解決某個具體細節(jié)問題時，算法的巧妙；而且更重要的是：在源碼的分析過程中，你就會被一點一點地、潛移默化地專業(yè)化；甚至，只要分析十分之一的代碼后，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。
　　為了使讀者能更好的體會到這一特點，下面舉了一個具體的內核分析實例，希望能通過這個實例，使讀者對 Linux的內核的組織有些具體的認識，從中讀者也可以學到一些對內核的分析方法。
　　以下即為分析實例：
　　【一】操作平臺：
　　硬件：cpu intel Pentium II
　　軟件：Redhat Linux 6.0; 內核版本2.2.5【二】相關內核源代碼分析：
　　1．系統(tǒng)的引導和初始化：Linux 系統(tǒng)的引導有好幾種方式：常見的有 Lilo， Loadin引導和Linux的自舉引導
　?。╞ootsect-loader），而后者所對應源程序為arch/i386/boot/bootsect.S，它為實模式的匯編程序，限于篇幅在此不做分析；無論是哪種引導方式，最后都要跳轉到 arch/i386/Kernel/setup.S， setup.S主要是進行時模式下的初始化，為系統(tǒng)進入保護模式做準備；此后，系統(tǒng)執(zhí)行 arch/i386/kernel/head.S （對經壓縮后存放的內核要先執(zhí)行 arch/i386/boot/compressed/head.S）; head.S 中定義的一段匯編程序setup_idt ，它負責建立一張256項的 idt 表（Interrupt Descriptor Table），此表保存著所有自陷和中斷的入口地址;其中包括系統(tǒng)調用總控程序 system_call 的入口地址;當然，除此之外，head.S還要做一些其他的初始化工作；
　　2．系統(tǒng)初始化后運行的第一個內核程序asmlinkage void __init start_kernel（void） 定義在
　　/usr/src/linux/init/main.c中，它通過調用usr/src/linux/arch/i386/kernel/traps.c 中的一個函數
　　void __init trap_init（void） 把各自陷和中斷服務程序的入口地址設置到 idt 表中，其中系統(tǒng)調用總控程序system_cal就是中斷服務程序之一;void __init trap_init（void） 函數則通過調用一個宏set_system_gate（SYSCALL_VECTOR，&system_call）; 把系統(tǒng)調用總控程序的入口掛在中斷0x80上; 其中SYSCALL_VECTOR是定義在 /usr/src/linux/arch/i386/kernel/irq.h中的一個常量0x80; 而 system_call 即為中斷總控程序的入口地址;中斷總控程序用匯編語言定義在/usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S中;
　　3.中斷總控程序主要負責保存處理機執(zhí)行系統(tǒng)調用前的狀態(tài)，檢驗當前調用是否合法， 并根據系統(tǒng)調用向量，使處理機跳轉到保存在 sys_call_table 表中的相應系統(tǒng)服務例程的入口; 從系統(tǒng)服務例程返回后恢復處理機狀態(tài)退回用戶程序;
　　而系統(tǒng)調用向量則定義在/usr/src/linux/include/asm-386/unistd.h 中;sys_call_table 表定義在/usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S 中; 同時在 /usr/src/linux/include/asm-386/unistd.h 中也定義了系統(tǒng)調用的用戶編程接口;