Linux Kernel入门指南

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Linux Kernel入门指南

2024-07-10 20:42| 来源: 网络整理| 查看: 265

作者:korant

踏上 Linux 内核世界的探险将成为您职业生涯的一段迷人旅程。作为操作系统之心的 Linux 内核涵盖众多领域,如操作系统原理、硬件抽象以及驱动开发等。在这篇文章中,我们将一探 Linux 内核的奥秘,并为具备编程基础的技术人员提供一处学习起点。

1. Linux 内核概述——奇妙世界的入口

作为核心组件,内核实现了操作系统的基本功能,如进程管理、内存管理、设备驱动、文件系统等。它是 GNU/Linux 操作系统的核心,确保整个系统的稳定性和性能。而开源让全球成千上万的开发者及维护者纷纷加入其行列,使得 Linux 内核得以在各式平台和设备上迅速壮大。

1.1 发行版与内核的关系:风格多样的组合拳

简言之,发行版就是各种软件包的集合,甚至于内核对于发行版来说,亦只是一个独立的内核包。发行版旨在为用户空间运行的程序提供系统资源。不同发行版之间的区别在于所选的软件包管理方式及其配置:

Ubuntu(Debian 系)和 Fedora(RHEL 系)等发行版重点强调易用性;Arch Linux 和 Gentoo 等发行版更注重定制化与性能。

尽管许多发行版允许用户自定内核,但对于大多数用户而言,这个神秘的内核层面很少涉猎。

1.2 内核源码探索之旅

审视内核源码,在其世界中探险各种功能与子系统。为了获得最新版内核源代码,可以访问 https://kernel.org 感受内核之美。

同样,通过阅读内核源代码,可以增进对理论知识的理解,以及学会阅读和编写高品质的内核代码。

获取内核代码:

代码语言:javascript复制git clone https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git 1.3 内核源码编译:秘诀揭开

反复琢磨内核源码,将揭开内核秘诀的神秘面纱。首先,需要完成以下几个关键步骤:

配置:挑选所需内核选项和功能。可以使用菜单驱动的配置界面 make menuconfig或者手动编辑 .config 文件进行配置。

实际上,make menuconfig 的方式最终也会将内核配置写入 .config 文件中,可以看到 config 文件中的内容就是在配置各个层级 Makefile 中依赖的编译指令。

.config:

代码语言:javascript复制... CONFIG_POSIX_TIMERS=y CONFIG_PRINTK=y //以此为例 CONFIG_PRINTK_NMI=y CONFIG_BUG=y ...

Makefile(fs/proc/Makefile):

代码语言:javascript复制... proc-$(CONFIG_PROC_KCORE) += kcore.o proc-$(CONFIG_PROC_VMCORE) += vmcore.o proc-$(CONFIG_PRINTK) += kmsg.o proc-$(CONFIG_PROC_PAGE_MONITOR) += page.o proc-y += sysctl_write_forbid.o ...

编译:执行 make 命令进行编译,此过程将生成内核映像(如:vmlinuz)以及编译完成的模块。

安装模块:接下来,使用 make modules_install 命令安装编译完成的模块。

安装内核映像:通过 make install 将编译好的内核映像安装到 /boot 目录下,并更新内核启动加载器(如:GRUB)的配置。

重新启动以进入新世界:最后一步,重启系统并选择新安装的内核版本进行启动。

在编译过程中,可以根据需求和硬件环境自订内核。例如,可以选择启用或禁用内核中的某个功能,优化内核以适应特定的硬件配置,或者对内核进行调试。

当然,编译内核源码可能并不是一帆风顺,但它有助于深入了解内核的工作原理及相关技术。在克服挑战后,您将在内核领域的技术之路上越走越远。

P.S.在准备编译内核时,别忘了安装一些额外的依赖软件包,如 gcc、make、libncurses-dev(用于 make menuconfig)等。

2. 探寻 Linux 内核结构:奇幻探险

Linux 内核采用模块化设计,由一系列子系统和模块组成。就像一场探险,我们将逐一探究涉及特定功能的子系统,并了解它们在内核源代码中的关键文件路径。

2.1 系统调用层:内核与用户空间的桥梁源码位置:arch/x86/entry/syscalls/ (以 x86 为例)关键词:sys_call_table, SYSCALL_DEFINEx作用:通过系统调用接口,可以轻松地从用户空间传递参数和请求到内核空间,让内核为其提供服务。2.2 文件系统:各种文件系统的大熔炉源码位置:fs/关键词:struct file, struct inode作用:文件系统负责在计算机的存储设备上组织和管理文件。Linux 支持多种类型的文件系统,如 EXT4、XFS、Btrfs 等。每个文件系统都有自己的数据结构和操作方法,但它们都会注册到通用的虚拟文件系统(VFS)中,这使得用户和应用程序可以以一致的方式访问不同类型的文件系统。2.3 内存管理:内存资源的管家源码位置:mm/关键词:struct page, alloc_pages, kfree作用:内存管理子系统全权负责内存资源的分配和管理,巧妙地在虚拟内存与物理内存之间架起桥梁。2.4 进程管理:调度员的日常源码位置:kernel/sched/ 和 include/linux/sched.h关键词:struct task_struct, scheduler_tick, wake_up_process作用:进程管理子系统如同一位勤勉的调度员,打理好进程的创建、调度、终止等一系列操作,确保整个系统在有条不紊的秩序中运行。2.5 设备驱动:硬件大使馆源码位置:drivers/关键词:struct device, struct device_driver, module_init作用:设备驱动子系统担任内核与硬件设备的外交使命,负责管理全部驱动程序,保证设备与内核的沟通顺畅。2.6 网络栈:驾驭互联网之战舰源码位置:net/关键词:struct socket, struct sk_buff, TCP, IP作用:网络子系统像是一艘驾驭互联网的战舰,全面管理网络通信相关功能,承担套接字、多种网络协议和路由等一切网络事务。2.7 内核服务子系统:提供无微不至的服务源码位置:kernel/关键词:workqueue, jiffies, HZ, hrtimer作用:内核服务子系统如同一位贴心管家,为内核提供各种服务,例如照顾定时器、处理信号等琐事。3. 内核实战:驾驭神奇力量3.1 核心知识储备

迈向 Linux 内核编程之路,你需要积累一定的知识底蕴,包括 C 语言编程、数据结构、计算机原理和计算机架构等。掌握这些神奇力量后,可以从以下几个方面揭开内核编程的神秘面纱:

熟悉 Linux 内核编程所需的 C 语言特性,例如指针操作、结构体、内存分配等。了解 Linux 内核中常用的数据结构,例如链表、散列表与红黑树等,并学会如何在内核中使用这些数据结构。掌握内核中常用的锁机制(例如自旋锁和互斥锁)、原子操作和内存屏障,以便正确处理并发情况和处理器缓存一致性问题。学习 Linux 内核中与硬件无关的 API,例如请求中断、访问 IO、DMA 等。3.2 实际加入 Linux 内核项目

参与 Linux 内核项目的过程就像融入一个充满活力的开发社区。修复 bug、提供驱动支持或添加新特性等具体工作只是社区运营的一部分。要想进入内核梦之队,提前了解其开发流程和贡献规范是必不可少的。

通过公开网站获取社区提交的内核 bug:https://bugzilla.kernel.org/Linux 内核邮件列表(Linux Kernel Mailing List, LKML):lkml.org。成为 LKML 的一员,你将与内核开发者们共同讨论内核开发的各个方面。在这里,你可以提交补丁(patch),请求代码审查(code review),讨论架构设计,了解内核开发的最新动态。补丁往来与代码审查:当你在内核上开发新功能或修复 bug 后,需要提交一个补丁到 LKML,相关的维护者会对你的补丁进行审查。在审查过程中,你的代码可能会得到反馈和建议,甚至可能需要几轮迭代才能达到内核的标准。在社区的积极参与和讨论中,你将收获大量知识和经验,有助于你在内核领域的成长。

通过参与内核项目,你将更深入地了解内核的工作原理和开发过程。同时,还能结识到众多热衷于 Linux 内核的开发者和专家,与他们共同成长。在这个过程中,你将收获宝贵的经验,为今后在 Linux 内核领域取得成功奠定坚实基础。

4. 资源宝库

要学会驾驭神奇的内核力量,丰富的学习资源是关键。以下精选资源助你迅速掌握内核的奥秘:

Linux 内核源代码:想要深入了解内核的奥秘?首选最新版内核源代码!阅读内核源代码能够加深对理论知识的理解,同时学习如何阅读和编写高品质的内核代码。内核相关书籍:《Linux 内核设计与实现》(Robert Love)《深入理解 Linux 内核》(Daniel P. Bovet & Marco Cesati)《Linux 设备驱动程序开发》(Jonathan Corbet、Alessandro Rubini、Greg Kroah-Hartman)《Linux 设备驱动开发详解:基于的 Linux 4.0 内核》(宋宝华)《奔跑吧 Linux 内核》(张天飞)Kernel Newbies 社区:kernelnewbies.org。该社区为你提供针对初学者的内核开发资源、教程和项目,帮助你在内核开发道路上取得理想成果。友好的机制非常适合新手参与。

驾驭魔法般的 Linux 内核技能需要一个漫长的过程。在这片信息海洋汹涌澎湃的时代,探索之路永无止境。随着你对内核的理解和实践不断加深,眼前的奇妙世界将变得更加绚丽多彩。充满信心地扬帆起航吧,这片浩瀚的 Linux 内核大海将由你来驾驭。



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