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Linux的最大的好處之一就是它的源碼公開。同時(shí)，公開的核心源碼也吸引著無(wú)數(shù)的電腦愛(ài)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(duì)計(jì)算機(jī)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(gè)分析了好久都沒(méi)搞懂的問(wèn)題；或者是被你修改過(guò)了的內(nèi)核，順利通過(guò)編譯，一切運(yùn)行正常的時(shí)候。那種成就感真是油然而生！而且，對(duì)內(nèi)核的分析，除了出自對(duì)技術(shù)的狂熱追求之外，這種令人生畏的勞動(dòng)所帶來(lái)的回報(bào)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(jì)算機(jī)的底層知識(shí)，如后面將講到的系統(tǒng)的引導(dǎo)和硬件提供的中斷機(jī)制等；其它，象虛擬存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，多任務(wù)機(jī)制，系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制等等，這些都是非都源碼不能體會(huì)的。
同時(shí)，你還將從操作系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)中，體會(huì)整體設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)中的份量和作用，以及一些宏觀設(shè)計(jì)的方法和技巧：Linux的內(nèi)核為上層應(yīng)用提供一個(gè)與具體硬件不相關(guān)的平臺(tái)；同時(shí)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(dòng)處理成相對(duì)獨(dú)立的內(nèi)核模塊，這樣減小了內(nèi)核運(yùn)行的開銷，增強(qiáng)了內(nèi)核代碼的模塊獨(dú)立性。
而且你還能從對(duì)內(nèi)核源碼的分析中，體會(huì)到它在解決某個(gè)具體細(xì)節(jié)問(wèn)題時(shí)，方法的巧妙：如后面將分析到了的Linux通過(guò)Botoom_half機(jī)制來(lái)加快系統(tǒng)對(duì)中斷的處理。
最重要的是：在源碼的分析過(guò)程中，你將會(huì)被一點(diǎn)一點(diǎn)地、潛移默化地專業(yè)化。一個(gè)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(guò)定義大量的宏，來(lái)增強(qiáng)代碼的清晰度和可讀性，而又不增加編譯后的代碼長(zhǎng)度和代碼的運(yùn)行效率；他們總是在編碼的同時(shí)，就考慮到了以后的代碼維護(hù)和升級(jí)。 甚至，只要分析百分之一的代碼后，你就會(huì)深刻地體會(huì)到，什么樣的代碼才是一個(gè)專業(yè)的程序員寫的，什么樣的代碼是一個(gè)業(yè)余愛(ài)好者寫的。而這一點(diǎn)是任何沒(méi)有真正分析過(guò)標(biāo)準(zhǔn)代碼的人都無(wú)法體會(huì)到的。
然而，由于內(nèi)核代碼的冗長(zhǎng)，和內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的龐雜，所以分析內(nèi)核也是一個(gè)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(guò)此文能給大家一些借鑒和啟迪。
由于本人所進(jìn)行的分析都是基于2.2.5版本的內(nèi)核；所以，如果沒(méi)有特別說(shuō)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(duì)于目錄/usr/src/linux的。
方法之一：從何入手
要分析Linux內(nèi)核源碼，首先必須找到各個(gè)模塊的位置，也即要弄懂源碼的文件組織形式。雖然對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的高手而言，這個(gè)不是很難；但對(duì)于很多初級(jí)的Linux愛(ài)好者，和那些對(duì)源碼分析很有興趣但接觸不多的人來(lái)說(shuō)，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(gè)非常簡(jiǎn)單的編號(hào)約定：任何偶數(shù)的核心（的二個(gè)數(shù)為偶數(shù)，例如2.0.30）都是一個(gè)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(gè)開發(fā)中的核心。
2、核心源程序的文件按樹形結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)具有GPL版權(quán)的源代碼改動(dòng)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(duì)Linux做出過(guò)很大貢獻(xiàn)的一些人的信息。
● MAINTAINERS: 維護(hù)人員列表，對(duì)當(dāng)前版本的內(nèi)核各部分都有誰(shuí)負(fù)責(zé)。
● Makefile: 第一個(gè)Makefile文件。用來(lái)組織內(nèi)核的各模塊，記錄了個(gè)模塊間的相互這間的聯(lián)系和依托關(guān)系，編譯時(shí)使用。仔細(xì)閱讀各子目錄下的Makefile文件對(duì)弄清各個(gè)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(jiǎn)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(bào)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(gè)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(jī)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(tái)無(wú)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(gè)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(gè)文件main.c和Version.c，這是研究核心如何工作的好的起點(diǎn)之一。
● Mm/：這個(gè)目錄包括所有獨(dú)立于 cpu 體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)存管理代碼，如頁(yè)式存儲(chǔ)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(shí)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(dòng)程序。每種驅(qū)動(dòng)程序又各占用一個(gè)子目錄：如，/block 下為塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)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?yàn)榘惭bnfs文件系統(tǒng)的時(shí)候需要網(wǎng)絡(luò)。
● Documentation/: 文檔目錄,沒(méi)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(gè)子目錄支持一個(gè)文件系統(tǒng), 例如fat和ext2。
● Ipc/: 這個(gè)目錄包含核心的進(jìn)程間通訊的代碼。
● Lib/: 放置核心的庫(kù)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(gè)空目錄，用于存放編譯時(shí)產(chǎn)生的模塊目標(biāo)文件。
● Scripts/: 描述文件，腳本，用于對(duì)核心的配置。
一般，在每個(gè)子目錄下，都有一個(gè) Makefile 和一個(gè)Readme 文件，仔細(xì)閱讀這兩個(gè)文件，對(duì)內(nèi)核源碼的理解很有用。
對(duì)Linux內(nèi)核源碼的分析，有幾個(gè)很好的入口點(diǎn)：一個(gè)就是系統(tǒng)的引導(dǎo)和初始化，即從機(jī)器加電到系統(tǒng)核心的運(yùn)行；另外一個(gè)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(duì)于那些對(duì)硬件比較熟悉的愛(ài)好者，從系統(tǒng)的引導(dǎo)入手進(jìn)行分析，可能來(lái)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(guò)C編程經(jīng)驗(yàn)的高手。這兩點(diǎn)，在后面還將介紹到。
方法之二：以程序流程為線索，一線串珠
從表面上看，Linux的源碼就象一團(tuán)扎亂無(wú)章的亂麻，其實(shí)它是一個(gè)組織得有條有理的蛛網(wǎng)。要把整個(gè)結(jié)構(gòu)分析清楚，除了找出線頭，還得理順各個(gè)部分之間的關(guān)系，有條不紊的一點(diǎn)一點(diǎn)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(guò)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(gè)：一是系統(tǒng)的初始化過(guò)程；二是應(yīng)用程序的執(zhí)行流程：從程序的裝載，到運(yùn)行，一直到程序的退出。
為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，遵從循序漸進(jìn)的原理，現(xiàn)就系統(tǒng)的初始化過(guò)程來(lái)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(shí)模式下的初始化，保護(hù)模式下的初始化共三個(gè)部分。下面將一一介紹。
Linux系統(tǒng)的常見(jiàn)引導(dǎo)方式有兩種：Lilo引導(dǎo)和Loadin引導(dǎo)；同時(shí)linux內(nèi)核也自帶了一個(gè)bootsect-loader。由于它只能實(shí)現(xiàn)linux的引導(dǎo)，不像前兩個(gè)那樣具有很大的靈活性（lilo可實(shí)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(chǎng)合實(shí)際上很少使用bootsect-loader。當(dāng)然，bootsect-loader也具有它自己的優(yōu)點(diǎn)：短小沒(méi)有多余的代碼、附帶在內(nèi)核源碼中、是內(nèi)核源碼的有機(jī)組成部分，等等。
bootsect-loader在內(nèi)和源碼中對(duì)應(yīng)的程序是 /Arch/i386/boot/bootsect.S 。下面將主要是針對(duì)此文件進(jìn)行的分析。
幾個(gè)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/PRE> |
/CENTER>
引導(dǎo)過(guò)程分析：
對(duì)于Intel x86 PC , 開啟電源后, 機(jī)器就會(huì)開始執(zhí)行ROM BIOS的一系列系統(tǒng)測(cè)試動(dòng)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(cè)試之后，緊接著控制權(quán)會(huì)轉(zhuǎn)移給ROM中的啟動(dòng)程序(ROM bootstrap routine)；這個(gè)程序會(huì)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(gè)字節(jié)處；然后處理機(jī)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(jī)運(yùn)行在與8086相兼容的實(shí)模式下。
如果要用bootsect-loader進(jìn)行系統(tǒng)引導(dǎo)，則必須把bootsect.S編譯連接后對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼置于MBR； 當(dāng)ROM BIOS 把bootsect.S編譯連接后對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼裝入內(nèi)存后，機(jī)器的控制權(quán)就完全轉(zhuǎn)交給bootsect； 也就是說(shuō)，bootsect將是第一個(gè)被讀入內(nèi)存中并執(zhí)行的程序。