第一章 Linux內核簡介

1.1 Unix的歷史

1971年，Unix被移植到PDP-11型機中。?
1973年，Unix操作系統用C語言改寫——為Unix系統的廣泛移植鋪平了道路。?
1977年，伯克利推出1BSD系統?
1994年，伯克利推出Unix系統的最終官方版——4.4BSD

unix強大的根本原因

（1）簡潔：僅提供系統調用并有一個非常明確的設計目的?
（2）抽象：所有東西都被當做文件對待?
（3）可移植性：使用C語言編寫，可移植能力強?
（4）進程：創建迅速，獨特的fork系統調用 ；?
（5）清晰的層次化結構：一次執行保質保量地完成一個任務，策略和機制分離的理念，簡單的進程間通信元語把單一目的的程序方便地組合在一起

1.2 追尋Linux足跡：Linux簡介

1991年，Liunx Torvalds開發了Linux

Linux的特點：?
（1）是類Unix系統，但不是Unix?
（2）沒有拋棄Unix的設計目標并且保證了應用程序編程接口的一致。?
（3）Linux系統的基礎是內核、C庫、工具集和系統的基本工具。

1.3　操作系統和內核簡介

操作系統

是指整個系統中負責完成最基本功能和系統管理的那些部分。包括

內核、設備驅動程序、啟動引導程序、命令行shell或者其他種類的用戶界面、基本的文件管理工具和系統工具。

內核

被稱作是管理者或者操作系統的核心。其組成包括：

（1）響應中斷的中斷服務程序?
（2）管理多個進程，分享處理器時間的調度程序?
（3）管理進程地址空間的內存管理程序
（4）網絡、進程間通信等系統服務程序

每個處理器在任何指定時間點上的活動必然概括為下列三者之一：

• 運行于用戶空間，執行用戶進程
• 運行于內核空間，處于進程上下文，代表某個特定的進程執行
• 運行于內核空間，處于中斷上下文，與任何進程無關，處理某個特定的中斷

1.4　Linux內核和傳統Unix內核的比較

單內核和微內核設計之比較

Linux的內核雖然是基于單內核的，也具備微內核的一些特征。 主要有以下特征：

• 支持動態加載內核模塊
• 支持對稱多處理（SMP）
• 內核可以搶占（preemptive），允許內核運行的任務有優先執行的能力
• 不區分線程和進程

1.5　Linux內核版本

版本號：2.6.26.1?其中，

2 —— 主版本號?
6 —— 從版本號或副版本號?
26 —— 修訂版本號?
1 —— 穩定版本號

副版本號表示這個版本是穩定版（偶數）還是開發版（奇數），上面例子中的版本號是穩定版

1.6　Linux內核開發者社區

可以在http://vegr.kernel.org上訂閱郵件。

第二章 從內核出發

2.1　獲取內核源碼

2.1.1　使用Git

• 獲取最新提交到版本樹的一個副本?
  $ git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git
• 下載代碼后，更新自己的分支到最新分支?
  $ git pull

有了這兩個命令，就可以獲取并隨時保持與內核官方的代碼數一致。

2.1.1　安裝內核源代碼

內核壓縮以GNU zip和bzip2兩種

• 壓縮形式為bzip2?
  運行：$ tar xvjf linux-x.y.z.tar.bz2
• 壓縮形式為zip?
  運行：$ tar xvzf linux-x.y.z.tar.gz

注釋（xvjf、xvzf）：

• -x 解開；
• -v 顯示詳細信息；
• -j 使用bzip2程序；
• -z 使用gzip程序；
• -f 使用歸檔文件；

內核源碼一般安裝在/usr/src/linux目錄下。

不要以root身份對內核進行修改。

2.1.3　使用補丁

應用增量補丁，從內部代碼樹開始，只需運行

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

2.2　內核源碼樹

目錄	說明
arch	特定體系結構的代碼
block	塊設備I/O層
crypo	加密API
Documentation	內核源碼文檔
drivers	設備驅動程序
firmware	使用某些驅動程序而需要的設備固件
fs	VFS和各種文件系統
include	內核頭文件
init	內核引導和初始化
ipc	進程間通信代碼
kernel	像調度程序這樣的核心子系統
lib	同樣內核函數
mm	內存管理子系統和VM
net	網絡子系統
samples	示例，示范代碼
scripts	編譯內核所用的腳本
security	Linux 安全模塊
sound	語音子系統
usr	早期用戶空間代碼（所謂的initramfs）
tools	在Linux開發中有用的工具
virt	虛擬化基礎結構

COPYIN：內核許可證；?
CREDITS：內核代碼的開發者列表；?
MAINTAINTERS：維護者列表——負責維護內核子系統和驅動程序；?
Makefile：是基本內核的Makefile；

2.3　編譯內核

2.3.1　配置內核

1、配置項

(1)二選一：yes/no?
(2)三選一：yes/no/module?
module：選定該配置項但編譯的時候以模塊形式生成（多用于驅動程序）

2、內核配置工具

$ make config 最簡單的一個字符界面下的命令行工具;?
$ make menuconfig 基于ncurse庫的圖形界面工具；?
$ make gconfig 基于gtk+的圖形工具;

3、內核配置命令

make config：遍歷所有配置項，并讓用戶選擇?
make deconfig：按默認的配置?
make oldconfig：在修改過配置文件之后，或者在用已有的配置文件配置新的代碼樹的時候，應該驗證和更新配置。?
zcat /proc/config.gz > .config：從/proc下復制出配置文件并且使用它來編譯一個內核

• 配置選項CONFIGIKCONFIGPROC會把完整的壓縮過的內核配置文件存放在/proc/config.gz中，再次編譯時可以方便地克隆當前的配置。

make：默認的Makefile自動化編譯。

2.3.2　減少編譯的垃圾信息

• 不看錯誤報告和警告信息，對輸出重定向?
  $ make > ../detritus
• 把無用的輸出信息重定向到永無返回值的黑洞/dev/null中 $ make > /dev/null

2.3.3　衍生多個編譯作業

• 以多個作業編譯內核?
  $ make -jn?
  j：指定同時執行多任務；n：要衍生出的作業數）

2.3.4　安裝新內核

• 模塊的安裝，以root身份，運行?
  % make modules_install?
  這樣可以把所有已編譯的模塊安裝到正確的主目錄/lib/modules下。
• System.map文件：編譯時在內核代碼樹的根目錄下創建的文件；是一個符號對照表；用來將內核符號與它們的起始地址對應起來。

2.4　內核開發的特點

Linux內核編程與用戶空間內應用程序開發的差異

• Linux內核編程時不能訪問C庫
• Linux內核編程時必須使用GNU C
• Linux內核編程時缺乏像用戶空間那樣的內存保護機制。
• Linux內核編程時浮點數很難使用。
• 內核只有一個很小的定長堆棧。
• 由于內核支持異步中斷、搶占式和SMP，因此必須時刻注意同步和并發。
• 要考慮可移植性的重要性。

2.4.1　無libc庫抑或無標準頭文件

內核不能使用函數庫的原因：速度與大小，這些庫對內核來說太大且太低效了。

基本頭文件：內核源代碼頂級目錄下的include中
體系結構相關頭文件：內核源代碼樹的arch//include/asm目錄下?
printk()函數：運行指定一個標志來設置優先級，syslogd會根據這個優先級標志來決定在什么地方顯示這條系統消息。?
- 優先級標志是預處理程序定義的一個描述性字符串，在編譯時優先級標志就與要打印的消息綁在一起處理。

2.4.2　GNU C

• 什么是GNU？?
  GNU是一種操作系統，GNU提供的C編譯器就是我們之前使用的gcc。

1、內聯函數?
內聯函數：對時間要求比較高而本身長度比較短，一般定義在頭文件中。

• 定義一個內聯函數，用static作關鍵字，用inline限定它。?
  static inline void wolf(unsigned long tail_size);

在內核中，為了類型安全和易讀性，優先使用內聯函數而不是復雜的宏。

2、內聯匯編

匯編語言用于偏近底層或對執行時間嚴格要求的地方。

3、分支聲明

對于條件選擇語句，在一個條件經常/很少出現時，編譯器可通過gcc內建的一條指令對條件分支選擇進行優化。?
內核把這條指令封裝成了宏。

2.4.3　沒有內存保護機制

內核中發生的內存錯誤會導致oops

內核中的內存不分頁：每用掉一個字節，物理內存都減少一個

2.4.4　不要輕易在內核中使用浮點數

與用戶空間進程不同，內核不完美支持浮點操作，因為他本身不能陷入

2.4.5　容積小而固定的棧

內核棧的準確大小隨體系結構而變?
每個體系結構對應的內核棧的大小時固定的，不能動態增長。

2.4.6　同步和并發

Linux是搶占多任務操作系統。?
Linux內核支持多處理器系統。?
中斷是異步到來的，完全不顧及當前正在執行的代碼。
Linux內核可以搶占。

2.4.7　可移植性的重要性

能提高移植性的準則

保持字節序?
64位對齊?
不假定字長和頁面長度

小結

1、很喜歡作者把章節分的很細，每一章節的內容很短，但又可以把每個部分講解清楚，讀起來不會覺得枯燥不耐煩。?
2、配合這課本的知識講解，使我對網課的學習有了更多的思考，了解到內核，其實和應用程序一樣也是一些代碼（可以用C、java或其他語言編寫），但唯一的區別就是，他們在物理內存中的組織形式不同，管理方式也不同，內核程序是管理應用程序，并為應用程序服務的。它需要更能加嚴謹的編碼，要求幾乎100%的無差錯。這是我學習完內核后的一些淺顯的理解。

參考資料

1：《Linux內核設計與實現》（原書第三版）

轉載于:https://www.cnblogs.com/java-stx/p/5284917.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的《linux内核设计与实现》读书笔记第一、二章的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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