Linux内核及源码简介

Linux内核及源码学习使用陈莉君老师的书《深入分析Linux内核源代码》，内核源码版本为2.4.16。

1. Linux 内核在整个操作系统中的位置

Linux 的内核不是孤立的，必须把它放在整个系统中去研究，如图 1.1 所示，显示了 Linux内核在整个操作系统的位置。

图1.1 Linux内核在整个操作系统的位置

由图 1.1 可以看出，Linux 操作系统由 4 个部分组成。

1）用户进程

用户应用程序是运行在 Linux 操作系统最高层的一个庞大的软件集合。当一个用户程序在操作系统之上运行时，它成为操作系统中的一个进程。

2）系统调用接口

在应用程序中，可通过系统调用来调用操作系统内核中特定的过程，以实现特定的服务。例如，在程序中安排一条创建进程的系统调用，则操作系统内核便会为之创建一个新进程。

系统调用本身也是由若干条指令构成的过程。但它与一般的过程不同，主要区别是：系统调用是运行在内核态（或叫系统态），而一般过程是运行在用户态。在 Linux 中，系统调用是内核代码的一部分。

3）Linux 内核

内核是操作系统的灵魂，它负责管理磁盘上的文件、内存，负责启动并运行程序，负责从网络上接收和发送数据包等。简言之，内核实际是抽象的资源操作到具体硬件操作细节之间的接口。

4）硬件

这个子系统包括了 Linux 安装时需要的所有可能的物理设备。例如，CPU、 内存、硬盘、网络硬件等。

2. Linux 内核的抽象结构

Linux 内核由 5 个主要的子系统组成，如图 1.2 所示。

图1.2 Linux 内核子系统及其之间的关系

（1）进程调度（SCHED）控制着进程对 CPU 的访问。当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选择最值得运行的进程。可运行进程实际是仅等待 CPU 资源的进程，如果某个进程在等待其他资源，则该进程是不可运行进程。Linux 使用了比较简单的基于优先级的进程调度算法选择新的进程。

（2）内存管理（MM）允许多个进程安全地共享主内存区域。Linux 的内存管理支持虚拟内存，即在计算机中运行的程序，其代码、数据和堆栈的总量可以超过实际内存的大小，操作系统只将当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则保留在磁盘上。必要时，操作系统负责在磁盘和内存之间交换程序块。内存管理从逻辑上可以分为硬件无关的部分和硬件相关的部分。硬件无关的部分提供了进程的映射和虚拟内存的对换；硬件相关的部分为内存管理硬件提供了虚拟接口。

（3）虚拟文件系统（Virtul File System，VFS）隐藏了各种不同硬件的具体细节，为所有设备提供了统一的接口，VFS 还支持多达数十种不同的文件系统，这也是 Linux 较有特色的一部分。

虚拟文件系统可分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指 Linux 所支持的文件系统，如 ext2，fat 等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。

（4）网络接口（NET）提供了对各种网络标准协议的存取和各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序两部分。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议，网络设备驱动程序负责与硬件设备进行通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。

（5）进程间通信（IPC） 支持进程间各种通信机制。从图 1.2 所示可以看出，处于中心位置的是进程调度，所有其他的子系统都依赖于它，因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。一般情况下，当一个进程等待硬件操作完成时，它被挂起；当操作真正完成时，进程被恢复执行。例如，当一个进程通过网络发送一条消息时，网络接口需要挂起发送进程，直到硬件成功地完成消息的发送，当消息被发送出去以后，网络接口给进程返回一个代码，表示操作的成功或失败。其他子系统（内存管理，虚拟文件系统及进程间通信）以相似的理由依赖于进程调度。

各个子系统之间的依赖关系如下。

• 进程调度与内存管理之间的关系：这两个子系统互相依赖。在多道程序环境下，程序要运行必须为之创建进程，而创建进程的第一件事，就是要将程序和数据装入内存。

• 进程间通信与内存管理的关系：进程间通信子系统要依赖内存管理支持共享内存通信机制，这种机制允许两个进程除了拥有自己的私有内存，还可存取共同的内存区域。

• 虚拟文件系统与网络接口之间的关系：虚拟文件系统利用网络接口支持网络文件系统（NFS），也利用内存管理支持 RAMDISK 设备。

• 内存管理与虚拟文件系统之间的关系：内存管理利用虚拟文件系统支持交换，交换进程（swapd）定期地由调度程序调度，这也是内存管理依赖于进程调度的唯一原因。当一个进程存取的内存映射被换出时，内存管理向文件系统发出请求，同时，挂起当前正在运行的进程。

除了如图 1.2 所示的依赖关系以外，内核中的所有子系统还要依赖一些共同的资源，但在图中并没有显示出来。这些资源包括所有子系统都用到的过程，例如分配和释放内存空间的过程，打印警告或错误信息的过程，还有系统的调试例程等。

3. Linux 内核源代码的结构

Linux 内核源代码位于/usr/src/linux 目录下，其结构分布如图 1.3 所示，每一个目录或子目录可以看作一个模块，其目录之间的连线表示“子目录或子模块”的关系。下面是对每一个目录的简单描述。

include/目录包含了建立内核代码时所需的大部分包含文件，这个模块利用其他模块重建内核。

init/ 子目录包含了内核的初始化代码，这是内核开始工作的起点。

arch/子目录包含了所有硬件结构特定的内核代码，如图 1.3 所示，arch/子目录下有 i386和 alpha 模块等。

drivers/ 目录包含了内核中所有的设备驱动程序，如块设备，scsi 设备驱动程序等。

fs/ 目录包含了所有文件系统的代码，如：ext2，vfat 模块的代码等。

net/ 目录包含了内核的连网代码。

mm/ 目录包含了所有的内存管理代码。

ipc/ 目录包含了进程间通信的代码。

kernel/ 目录包含了主内核代码。

图 1.3 显示了 8 个目录，即 init、kernel、mm、ipc、drivers、fs、arch 及 net 的包含文件都在“include/”目录下。在 Linux 内核中包含了 drivers、fs、arch 及 net 模块，这就使得 Linux 内核既不是一个层次式结构，也不是一个微内核结构，而是一个“整体式”结构。因为系统调用可以直接调用内核层，因此，该结构使得整个系统具有较高的性能，其缺点是内核修改起来比较困难，除非遵循严格的规则和编码标准。

在图 1.3 中所示的模块结构，代表了一种工作分配单元。利用这种结构，我们期望 LinusTorvalds 能维护和增强内核的核心服务，即 init/、kernel/、mm/及 ipc/，其他的模块 drivers、fs、arch 及 net 也可以作为工作单元，例如，可以分配一组人对块文件系统进行维护和进一步地开发，而另一组人对 scsi 文件系统进行完善。图 1.3 所示类似于 Linux 的自愿者开发队伍一起工作来增强和扩展整个系统的框架。

图 1.3 Linux 源代码的分布结构

4. 从何处开始阅读源代码

像 Linux 内核这样庞大而复杂的程序看起来确实让人望而生畏，它像一个很大的球，没有起点和终点。在读源代码的过程中，你会遇到这样的情况，当读到内核的某一部分时又会涉及到其他更多的文件，当返回到原来的地方想继续往下读时，又忘了原来读的内容。在Internet 上，很多人为此付出了很大的努力，制作出了源代码导航器，这为源代码阅读提供了很好的条件，下载站点为http://lxr.linux.no/source。下面给出阅读源代码的一些线索。

1．系统的启动和初始化

在基于 Intel 的系统上，当 loadlin.exe 或 LILO 把内核装入到内存并把控制权传递给内核时，内核开始启动。关于这一部分，看 arch/i386/kernel/head.S ，head.S 进行特定结构的设置，然后跳转到 init/main.c 的 main（）例程。

2．内存管理

内存管理的代码主要在/mm，但特定结构的代码在 arch/*/mm。缺页中断处理的代码在mm/memory.c ，而内存映射和页高速缓存器的代码在 mm/filemap.c。缓冲器高速缓存是在mm/buffer.c 中实现，而交换高速缓存是在 mm/swap_state.c 和 mm/swapfile.c 中实现。

3．内核

内核中，特定结构的代码在 arch/*/kernel，调度程序在 kernel/sched.c，fork 的代码在 kernel/fork.c，task_struct 数据结构在 include/linux/sched.h 中。

4．PCI

PCI 伪驱动程序在 drivers/pci/pci.c ，其定义在 include/linux/pci.h。每一种结构都有一些特定的 PCI BIOS 代码，Intel 的在 arch/alpha/kernel/bios32.c。

5．进程间通信

所 有 System V IPC 对 象 权 限 都 包 含 在 ipc_perm 数 据 结 构 中 ， 这 可 以 在include/linux/ipc.h 中找到 System V 消息是在 ipc/msg.c 中实现, 共享内存在 ipc/shm.c中，信号量在 ipc/sem.c 中，管道在 ipc/pipe.c 中实现。

6．中断处理

内 核 的 中 断 处 理 代 码 是 几 乎 所 有 的 微 处 理 器 所 特 有 的 。 中 断 处 理 代 码 在arch/i386/kernel/irq.c 中，其定义在 include/asm-i386/irq.h 中。

7．设备驱动程序

Linux 内核源代码的很多行是设备驱动程序。Linux 设备驱动程序的所有源代码都保存在/driver，根据类型可进一步划分为：

/block

块设备驱动程序如 ide（在 ide.c）。如果想看包含文件系统的所有设备是如何被初始化的，应当看 drivers/block/genhd.c 中的 device_setup（），device_setup（）不仅初始化了硬盘，当一个网络安装 nfs 文件系统时，它也初始化网络。块设备包含了基于 IDE 和 SCSI的设备。

/char

这是看字符设备（如 tty，串口及鼠标等）驱动程序的地方。

/cdrom

Linux 的所有 CDROM 代码都在这里，如在这儿可以找到 Soundblaster CDROM 的驱动程序。注意 ide CD 的驱动程序是 ide-cd.c，放在 drivers/block；SCSI CD 的驱动程序是 scsi.c，放在 drivers/scsi。

/pci

这是 PCI 伪驱动程序的源代码，在这里可以看到 PCI 子系统是如何被映射和初始化的。

/scsi

在这里可以找到所有的 SCSI 代码及 Linux 所支持的 scsi 设备的所有设备驱动程序。

/net

在这里可以找到网络设备驱动程序，如 DECChip 21040 PCI 以太网驱动程序在 tulip.c中。

/sound

这是所有声卡驱动程序的所在地。

8．文件系统

EXT2 文 件 系 统 的 源 代 码 全 部 在 fs/ext2/ 目 录 下 ， 而 其 数 据 结 构 的 定 义 在include/linux/ ext2_fs.h,ext2_fs_i.h 及 ext2_fs_sb.h 中。虚拟文件系统的数据结构在include/linux/fs.h 中描述，而代码是在 fs/*中。缓冲区高速缓存与更新内核的守护进程的实现是在 fs/buffer.c 中。

9．网络

网络代码保存在/net 中，大部分的 include 文件在 include/net 下，BSD 套节口代码在net/socket.c 中，IP 第 4 版本的套节口代码在 net/ipv4/af_inet.c。一般的协议支持代码（包括 sk_buff 处理例程）在 net/core 下，TCP/IP 联网代码在 net/ipv4 下，网络设备驱动程序在/drivers/net 下。

10．模块

内核模块的代码部分在内核中，部分在模块包中，前者全部在 kernel/modules.c 中，而 数 据 结 构 和 内 核 守 护 进 程 kerneld 的 信 息 分 别 在 include/linux/module.h 和include/linux/kerneld.h 中。如果想看 ELF 目标文件的结构，它位于 include/linux/elf.h中。