Linux內(nèi)核完全剖析---頭文件
程序在使用一個函數(shù)之前，應(yīng)該首先聲明該函數(shù)。為了便于使用，通常的做法是把同一類函數(shù)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及常數(shù)的聲明放在一個頭文件(header file)中。頭文件中也可以包括任何相關(guān)的類型定義和宏(macros)。在程序源代碼文件中則使用預(yù)處理指令“#include”來引用相關(guān)的頭文件。
程序中如下形式的一條控制行語句將會使得該行被文件filename的內(nèi)容替換掉：
# include
當(dāng)然，文件名filename中不能包含 > 和換行字符以及 "、'、\、或 /* 字符。編譯系統(tǒng)會在定義的一系列地方搜索這個文件。類似地，下面形式的控制行會讓編譯器首先在源程序所在目錄中搜索filename文件：
# include "filename"
如果沒有找到，編譯器再執(zhí)行同上面一樣的搜索過程。在這種形式中，文件名filename中不能包含換行字符和 "、'、\、或 /* 字符，但允許使用 > 字符。
在一般應(yīng)用程序源代碼中，頭文件與開發(fā)環(huán)境中的庫文件有著不可分割的緊密聯(lián)系，庫中的每個函數(shù)都需要在頭文件中加以聲明。應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境中的頭文件(通常放置在系統(tǒng)/usr/include/目錄中)可以看作是其所提供函數(shù)庫(例如libc.a)中函數(shù)的一個組成部分，是庫函數(shù)的使用說明或接口聲明。在編譯器把源代碼程序轉(zhuǎn)換成目標(biāo)模塊后，鏈接程序(linker)會把程序所有的目標(biāo)模塊組合在一起，包括用到的任何庫文件中的模塊。從而構(gòu)成一個可執(zhí)行的程序。
對于標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫來講，其最基本的頭文件有15個。每個頭文件都表示出一類特定函數(shù)的功能說明或結(jié)構(gòu)定義，例如I/O操作函數(shù)、字符處理函數(shù)等。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫的詳細(xì)說明及其實現(xiàn)可參照Plauger編著的《The Standard C Library》一書。
而對于本書所描述的內(nèi)核源代碼，其中涉及的頭文件則可以看作是對內(nèi)核及其函數(shù)庫所提供服務(wù)的一個概要說明，是內(nèi)核及其相關(guān)程序?qū)Ｓ玫念^文件。在這些頭文件中主要描述了內(nèi)核所用到的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、初始化數(shù)據(jù)、常數(shù)和宏定義，也包括少量的程序代碼。除了幾個專用的頭文件以外(例如塊設(shè)備頭文件blk.h)，Linux 0.12內(nèi)核中所用到的頭文件都放在內(nèi)核代碼樹的include/目錄中。因此編譯Linux 0.12內(nèi)核無需使用開發(fā)環(huán)境提供的位于/usr/include/目錄下的任何頭文件。當(dāng)然，tools/build.c程序除外。因為這個程序雖然被包含在內(nèi)核源代碼樹中，但它只是一個用于組合創(chuàng)建內(nèi)核映像文件的工具程序或應(yīng)用程序，不會被鏈接到內(nèi)核代碼中。
從0.95版開始，內(nèi)核代碼樹中的頭文件需要復(fù)制到/usr/include/linux目錄下才能順利地編譯內(nèi)核。即從該版內(nèi)核開始頭文件已經(jīng)與開發(fā)環(huán)境使用的頭文件合二為一。
14.1 include/目錄下的文件
內(nèi)核所用到的頭文件都保存在include/目錄下。該目錄下的文件如表11-1所示。這里需要說明一點：為了方便使用和兼容性，Linus在編制內(nèi)核程序頭文件時所使用的命名方式與標(biāo)準(zhǔn)C庫頭文件的命名方式相似，許多頭文件的名稱甚至其中的一些內(nèi)容都與標(biāo)準(zhǔn)C庫的頭文件基本相同，但這些內(nèi)核頭文件仍然是內(nèi)核源代碼或與內(nèi)核有緊密聯(lián)系的程序?qū)Ｓ玫?。在一個Linux系統(tǒng)中，它們與標(biāo)準(zhǔn)庫的頭文件并存。通常的做法是將這些頭文件放置在標(biāo)準(zhǔn)庫頭文件目錄中的子目錄下，以讓需要用到內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或常數(shù)的程序使用。
另外，也由于版權(quán)問題，Linus試圖重新編制一些頭文件以取代具有版權(quán)限制的標(biāo)準(zhǔn)C庫的頭文件。因此這些內(nèi)核源代碼中的頭文件與開發(fā)環(huán)境中的頭文件有一些重疊的地方。在Linux系統(tǒng)中，列表14-1中的asm/、linux/和sys/三個子目錄下的內(nèi)核頭文件通常需要復(fù)制到標(biāo)準(zhǔn)C庫頭文件所在的目錄(/usr/include)中，而其他一些文件若與標(biāo)準(zhǔn)庫的頭文件沒有沖突則可以直接放到標(biāo)準(zhǔn)庫頭文件目錄下，或者改放到這里的三個子目錄中。
asm/目錄下主要用于存放與計算機體系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的函數(shù)聲明或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的頭文件。例如Intel CPU 端口IO匯編宏文件io.h、中斷描述符設(shè)置匯編宏頭文件system.h等。linux/目錄下是Linux內(nèi)核程序使用的一些頭文件。其中包括調(diào)度程序使用的頭文件sched.h、內(nèi)存管理頭文件mm.h和終端管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件tty.h等。而sys/目錄下存放著幾個與內(nèi)核資源相關(guān)頭文件。不過從0.98版開始，內(nèi)核目錄樹下sys/目錄中的頭文件被全部移到了linux/目錄下。
Linux 0.12版內(nèi)核中共有32個頭文件(*.h)，其中asm/子目錄中含有4個，linux/子目錄中含有10個，sys/子目錄中含有5個。從下一節(jié)開始我們首先描述include/目錄下的13個頭文件，然后依次說明每個子目錄中的文件。說明順序按照文件名稱排序進行。
#p#14.2 a.out.h文件
14.2.1 功能描述
在Linux 內(nèi)核中，a.out.h文件用于定義被加載的可執(zhí)行文件結(jié)構(gòu)。主要用于加載程序fs/exec.c中。該文件不屬于標(biāo)準(zhǔn)C庫，它是內(nèi)核專用的頭文件。但由于與標(biāo)準(zhǔn)庫的頭文件名沒有沖突，因此在Linux系統(tǒng)中一般可以放/usr/include/目錄下，以供涉及相關(guān)內(nèi)容的程序使用。該頭文件中定義了目標(biāo)文件的一種a.out(Assembly out)格式。Linux 0.12系統(tǒng)中使用的.o文件和可執(zhí)行文件就采用了這種目標(biāo)文件格式。
a.out.h文件包括三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義和一些相關(guān)的宏定義，因此文件可被相應(yīng)地分成三個部分：
◆第1～108行給出并描述了目標(biāo)文件執(zhí)行頭結(jié)構(gòu)和相關(guān)的宏定義。
◆第109～185行對符號表項結(jié)構(gòu)的定義和說明。
◆第186～217行對重定位表項結(jié)構(gòu)進行定義和說明。
由于該文件內(nèi)容比較多，因此對其中三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)宏定義的詳細(xì)說明放在程序列表后。
從0.96版內(nèi)核開始，Linux系統(tǒng)直接采用了GNU的同名頭文件a.out.h。因此造成在Linux 0.9x下編譯的程序不能在Linux 0.1x系統(tǒng)上運行。下面對兩個a.out頭文件的不同之處進行分析，并說明如何讓0.9x下編譯的一些不是用動態(tài)鏈接庫的執(zhí)行文件也能在0.1x下運行。
Linux 0.12使用的a.out.h文件與GNU同名文件的主要區(qū)別在于exec結(jié)構(gòu)的第一個字段a_magic。GNU的該文件字段名稱是a_info，并且把該字段又分成3個子域：標(biāo)志域(Flags)、機器類型域(Machine Type)和魔數(shù)域(Magic Number)。同時為機器類型域定義了相應(yīng)的宏N_MACHTYPE和N_FLAGS，如圖14-1所示。
在Linux 0.9x系統(tǒng)中，對于采用靜態(tài)庫連接的執(zhí)行文件，圖中各域注釋中括號內(nèi)的值是該字段的默認(rèn)值。這種二進制執(zhí)行文件開始處的4個字節(jié)是：
0x0b, 0x01, 0x64, 0x00
而這里的頭文件僅定義了魔數(shù)域。因此，在Linux 0.1x系統(tǒng)中一個a.out格式的二進制執(zhí)行文件開始的4個字節(jié)是：
0x0b, 0x01, 0x00, 0x00
可以看出，采用GNU的a.out格式的執(zhí)行文件與Linux 0.1x系統(tǒng)上編譯出的執(zhí)行文件的區(qū)別僅在機器類型域。因此我們可以把Linux 0.9x上的a.out格式執(zhí)行文件的機器類型域(第3個字節(jié))清零，讓其運行在0.1x系統(tǒng)中。只要被移植的執(zhí)行文件所調(diào)用的系統(tǒng)調(diào)用都已經(jīng)在0.1x系統(tǒng)中實現(xiàn)即可。在開始重新組建Linux 0.1x根文件系統(tǒng)中的很多命令時，作者就采用了這種方法。
在其他方面，GNU的a.out.h頭文件與這里的a.out.h沒有什么區(qū)別。
#p#14.2.2 代碼注釋（附件下載，pdf格式）程序14.pdf
14.2.3 a.out執(zhí)行文件格式
Linux內(nèi)核0.12版僅支持a.out(Assembly out)執(zhí)行文件和目標(biāo)文件的格式，雖然這種格式目前已經(jīng)漸漸不用，而使用功能更為齊全的ELF(Executable and Link Format)格式，但是由于其簡單性，作為入門的學(xué)習(xí)材料比較適用。下面全面介紹一下a.out格式。
在頭文件a.out.h中聲明了三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及一些宏。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述了系統(tǒng)上目標(biāo)文件的結(jié)構(gòu)。在Linux 0.12系統(tǒng)中，編譯產(chǎn)生的目標(biāo)模塊文件(簡稱模塊文件)和鏈接生成的二進制可執(zhí)行文件均采用a.out格式。這里統(tǒng)稱為目標(biāo)文件。一個目標(biāo)文件由7部分(7節(jié))組成。它們依次為：
(1)執(zhí)行頭部分(exec header)。該部分中含有一些參數(shù)(exec結(jié)構(gòu))，內(nèi)核使用這些參數(shù)把執(zhí)行文件加載到內(nèi)存中并執(zhí)行，而鏈接程序(ld)使用這些參數(shù)將一些模塊文件組合成一個可執(zhí)行文件。這是目標(biāo)文件唯一必要的組成部分。
(2)代碼段部分(text segment)。含有程序執(zhí)行時被加載到內(nèi)存中的指令代碼和相關(guān)數(shù)據(jù)?？梢砸灾蛔x形式被加載。
(3)數(shù)據(jù)段部分(data segment)。這部分含有已經(jīng)初始化過的數(shù)據(jù)，總是被加載到可讀寫的內(nèi)存中。
(4)代碼重定位部分(text relocations)。這部分含有供鏈接程序使用的記錄數(shù)據(jù)。在組合目標(biāo)模塊文件時用于定位代碼段中的指針或地址。
(5)數(shù)據(jù)重定位部分(data relocations)。類似于代碼重定位部分的作用，但是用于數(shù)據(jù)段中指針的重定位。
(6)符號表部分(symbol table)。這部分同樣含有供鏈接程序使用的記錄數(shù)據(jù)，用于在二進制目標(biāo)模塊文件之間對命名的變量和函數(shù)(符號)進行交叉引用。
(7)字符串表部分(string table)。該部分含有與符號名對應(yīng)的字符串。
每個目標(biāo)文件均以一個執(zhí)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(exec structure)開始。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式如下：
各個字段的功能如下：
1)a_magic——該字段含有三個子字段，分別是標(biāo)志字段、機器類型標(biāo)識字段和魔數(shù)字段，參見圖11-1。不過對于Linux 0.12系統(tǒng)其目標(biāo)文件只使用了其中的魔數(shù)子字段，并使用宏N_MAGIC()來訪問，它唯一地確定了二進制執(zhí)行文件與其他加載的文件之間的區(qū)別。該子字段中必須包含以下值之一：
◆OMAGIC。表示代碼和數(shù)據(jù)段緊隨在執(zhí)行頭后面并且是連續(xù)存放的。內(nèi)核將代碼和數(shù)據(jù)段都加載到可讀寫內(nèi)存中。編譯器編譯出的目標(biāo)文件的魔數(shù)是OMAGIC(八進制0407)。
◆NMAGIC。同OMAGIC一樣，代碼和數(shù)據(jù)段緊隨在執(zhí)行頭后面并且是連續(xù)存放的。然而內(nèi)核將代碼加載到了只讀內(nèi)存中，并把數(shù)據(jù)段加載到代碼段后下一頁可讀寫內(nèi)存邊界開始。
◆ZMAGIC。內(nèi)核在必要時從二進制執(zhí)行文件中加載獨立的頁面。執(zhí)行頭部、代碼段和數(shù)據(jù)段都被鏈接程序處理成多個頁面大小的塊。內(nèi)核加載的代碼頁面是只讀的，而數(shù)據(jù)段的頁面是可寫的。鏈接生成的可執(zhí)行文件的魔數(shù)即是ZMAGIC(0413，即0x10b)。
2)a_text——該字段含有代碼段的長度值，字節(jié)數(shù)。
3)a_data——該字段含有數(shù)據(jù)段的長度值，字節(jié)數(shù)。
4)a_bss——含有bss段的長度，內(nèi)核用其設(shè)置在數(shù)據(jù)段后初始的break(brk)。內(nèi)核在加載程序時，這段可寫內(nèi)存顯現(xiàn)出處于數(shù)據(jù)段后面，并且初始時為全零。
5)a_syms——含有符號表部分的字節(jié)長度值。
6)a_entry——含有內(nèi)核將執(zhí)行文件加載到內(nèi)存中以后，程序執(zhí)行起始點的內(nèi)存地址。
7)a_trsize——該字段含有代碼重定位表的大小，是字節(jié)數(shù)。
8)a_drsize——該字段含有數(shù)據(jù)重定位表的大小，是字節(jié)數(shù)。
#p#在a.out.h頭文件中定義了幾個宏，這些宏使用exec結(jié)構(gòu)來測試一致性或者定位執(zhí)行文件中各個部分(節(jié))的位置偏移值。這些宏有：
◆N_BADMAG(exec)。如果a_magic字段不能被識別，則返回非零值。
◆N_TXTOFF(exec)。代碼段的起始位置字節(jié)偏移值。
◆N_DATOFF(exec)。數(shù)據(jù)段的起始位置字節(jié)偏移值。
◆N_DRELOFF(exec)。數(shù)據(jù)重定位表的起始位置字節(jié)偏移值。
◆N_TRELOFF(exec)。代碼重定位表的起始位置字節(jié)偏移值。
◆N_SYMOFF(exec)。符號表的起始位置字節(jié)偏移值。
◆N_STROFF(exec)。字符串表的起始位置字節(jié)偏移值。
重定位記錄具有標(biāo)準(zhǔn)的格式，它使用重定位信息(relocation_info)結(jié)構(gòu)來描述，如下所示：
該結(jié)構(gòu)中各字段的含義如下：
1)r_address——該字段含有需要鏈接程序處理(編輯)的指針的字節(jié)偏移值。代碼重定位的偏移值是從代碼段開始處計數(shù)的，數(shù)據(jù)重定位的偏移值是從數(shù)據(jù)段開始處計算的。鏈接程序會將已經(jīng)存儲在該偏移處的值與使用重定位記錄計算出的新值相加。
2)r_symbolnum——該字段含有符號表中一個符號結(jié)構(gòu)的序號值(不是字節(jié)偏移值)。鏈接程序在算出符號的絕對地址以后，就將該地址加到正在進行重定位的指針上。(如果r_extern比特位是0，那么情況就不同，見下面。)
3)r_pcrel——如果設(shè)置了該位，鏈接程序就認(rèn)為正在更新一個指針，該指針使用pc相關(guān)尋址方式，是屬于機器碼指令部分。當(dāng)運行程序使用這個被重定位的指針時，該指針的地址被隱式地加到該指針上。
4)r_length——該字段含有指針長度的2的次方值：0表示1字節(jié)長，1表示2字節(jié)長，2表示4字節(jié)長。
5)r_extern——如果被置位，表示該重定位需要一個外部引用;此時鏈接程序必須使用一個符號地址來更新相應(yīng)指針。當(dāng)該位是0時，則重定位是“局部”的。鏈接程序更新指針以反映各個段加載地址中的變化，而不是反映一個符號值的變化。在這種情況下，r_symbolnum字段的內(nèi)容是一個n_type值;這類字段告訴鏈接程序被重定位的指針指向那個段。
6)r_pad——Linux系統(tǒng)中沒有使用的4個比特位。在寫一個目標(biāo)文件時最好全置0。
符號將名稱映射為地址(或者更通俗地講是字符串映射到值)。由于鏈接程序?qū)Φ刂返恼{(diào)整，一個符號的名稱必須用來表示其地址，直到已被賦予一個絕對地址值。符號是由符號表中固定長度的記錄以及字符串表中的可變長度名稱組成。符號表是nlist結(jié)構(gòu)的一個數(shù)組，如下所示：
其中各字段的含義為：
1)n_un.n_strx——含有本符號的名稱在字符串表中的字節(jié)偏移值。當(dāng)程序使用nlist()函數(shù)訪問一個符號表時，該字段被替換為n_un.n_name字段，這是內(nèi)存中字符串的指針。
2)n_type——用于鏈接程序確定如何更新符號的值。使用第146～154行開始的位屏蔽(bitmasks)碼可以將8比特寬度的n_type字段分割成三個子字段，如圖14-2所示。對于N_EXT類型位置位的符號，鏈接程序?qū)⑺鼈兛醋魇恰巴獠康摹狈?，并且允許其他二進制目標(biāo)文件對它們的引用。N_TYPE屏蔽碼用于鏈接程序感興趣的比特位：
◆N_UNDF。一個未定義的符號。鏈接程序必須在其他二進制目標(biāo)文件中定位一個具有相同名稱的外部符號，以確定該符號的絕對數(shù)據(jù)值。特殊情況下，如果n_type字段是非零值，并且沒有二進制文件定義了這個符號，則鏈接程序在BSS段中將該符號解析為一個地址，保留長度等于n_value的字節(jié)。如果符號在多于一個二進制目標(biāo)文件中都沒有定義并且這些二進制目標(biāo)文件對其長度值不一致，則鏈接程序?qū)⑦x擇所有二進制目標(biāo)文件中最大的長度。
◆N_ABS。一個絕對符號。鏈接程序不會更新一個絕對符號。
◆N_TEXT。一個代碼符號。該符號的值是代碼地址，鏈接程序在合并二進制目標(biāo)文件時會更新其值。
◆N_DATA。一個數(shù)據(jù)符號。與N_TEXT類似，但是用于數(shù)據(jù)地址。對應(yīng)代碼和數(shù)據(jù)符號的值不是文件的偏移值而是地址;為了找出文件的偏移，就有必要確定相關(guān)部分開始加載的地址并減去它，然后加上該部分的偏移。
◆N_BSS。一個BSS符號。與代碼或數(shù)據(jù)符號類似，但在二進制目標(biāo)文件中沒有對應(yīng)的偏移。
◆N_FN。一個文件名符號。在合并二進制目標(biāo)文件時，鏈接程序會將該符號插入在二進制文件中的符號之前。符號的名稱就是給予鏈接程序的文件名，而其值是二進制文件中首個代碼段地址。鏈接和加載時不需要文件名符號，但對于調(diào)式程序非常有用。
◆N_STAB。屏蔽碼用于選擇符號調(diào)式程序(例如gdb)感興趣的位。其值在stab()中說明。
3)n_other——該字段按照n_type確定的段，提供有關(guān)符號重定位操作的符號獨立性信息。目前，n_other字段的最低4位含有兩個值之一：AUX_FUNC和AUX_OBJECT(有關(guān)定義參見)。AUX_FUNC將符號與可調(diào)用的函數(shù)相關(guān)，AUX_OBJECT將符號與數(shù)據(jù)相關(guān)，無論它們是位于代碼段還是數(shù)據(jù)段。該字段主要用于鏈接程序ld，用于動態(tài)可執(zhí)行程序的創(chuàng)建。
4)n_desc——保留給調(diào)式程序使用;鏈接程序不對其進行處理。不同的調(diào)試程序?qū)⒃撟侄斡米鞑煌挠猛尽?/P>
5)n_value——含有符號的值。對于代碼、數(shù)據(jù)和BSS符號，這是一個地址;對于其他符號(例如調(diào)式程序符號)，值可以是任意的。
字符串表由長度為unsigned long后跟一null結(jié)尾的符號字符串組成。長度代表整個表的字節(jié)大小，所以在32位的機器上其最小值(即第1個字符串的偏移)總是4。
14.3 const.h文件
14.3.1 功能描述
該文件定義了i節(jié)點中文件屬性和類型i_mode字段所用到的一些標(biāo)志位常量符號。
14.3.2 代碼注釋
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