【51CTO精選譯文】這年頭，Linux成了一個時髦詞。自詡對電腦玩的精通的學(xué)生和IT人士們，沒有哪個不在自己的電腦上安裝一、兩個Linux，并自覺趕上了時髦。然而，在Ubuntu或SUSE的論壇中，經(jīng)常有這樣的對話：

“你學(xué)Linux學(xué)了這么久，都學(xué)到了什么？”

“哦，我現(xiàn)在Linux的安裝、升級、桌面美化都很熟練！你看我這是最新版的Ubuntu，桌面很漂亮吧！”

“……”

Linux社區(qū)中有一句名言：如果你進入你的操作系統(tǒng)不知道該做什么，那最好還是關(guān)掉電腦，一定有更重要的事等著你去做。說真的，如果對Linux命令不熟練，真的不能算是學(xué)過Linux。然而另一方面，Linux內(nèi)核雖然是一般用戶可學(xué)可不學(xué)的內(nèi)容，但可以說卻是Linux操作系統(tǒng)中最好玩的部分。尤其對于開發(fā)者而言，Linux內(nèi)核開發(fā)絕對是最理想的磨練場所。51CTO編輯一直認為，國外之所以IT技術(shù)大拿林立，和他們從小接觸類UNIX系統(tǒng)、把玩內(nèi)核開發(fā)是脫不了關(guān)系的。

下面是Linux內(nèi)核開發(fā)者Robert Love寫的一篇入門文章，號稱“包教會”，推薦對Linux內(nèi)核開發(fā)感興趣的學(xué)生、Linux愛好者、開發(fā)者以及系統(tǒng)管理員們一定不要錯過。當(dāng)然，雖然標(biāo)題說是包教會，你可能需要一定的Linux命令以及C語言的基礎(chǔ)。

以下是正文內(nèi)容：

Linux內(nèi)核一直都被視為學(xué)習(xí)Linux最難的一塊，相信大家也一定看過不少關(guān)于內(nèi)核的文章，但捫心自問，你現(xiàn)在究竟掌握了多少？本文將從零開始介紹被視為高深的Linux內(nèi)核，內(nèi)容涉及內(nèi)核源代碼的下載，編譯，安裝，以及內(nèi)核開發(fā)相關(guān)的內(nèi)容。

如何獲取Linux內(nèi)核源代碼

下載Linux內(nèi)核當(dāng)然要去官方網(wǎng)站了，網(wǎng)站提供了兩種文件下載，一種是完整的Linux內(nèi)核，另一種是內(nèi)核增量補丁，它們都是tar歸檔壓縮包。除非你有特別的原因需要使用舊版本的Linux內(nèi)核，否則你應(yīng)該總是升級到最新版本。

使用Git

由Linus領(lǐng)頭的內(nèi)核開發(fā)隊伍從幾年前就開始使用Git版本控制系統(tǒng)管理Linux內(nèi)核了（參考閱讀：什么是Git？），而Git項目本身也是由Linus創(chuàng)建的，它和傳統(tǒng)的CVS不一樣，Git是分布式的，因此它的用法和工作流程很多開發(fā)人員可能會感到很陌生，但我強烈建議使用Git下載和管理Linux內(nèi)核源代碼。

你可以使用下面的Git命令獲取Linus內(nèi)核代碼樹的最新“推送”版本：

$ git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git

然后使用下面的命令將你的代碼樹與Linus的代碼樹最新狀態(tài)同步：

$ git pull

安裝內(nèi)核源代碼

內(nèi)核包有GNU zip（gzip）和bzip2格式。Bzip2是默認和首選格式，因為它的壓縮比通常比gzip更好，bzip2格式的Linux內(nèi)核包一般采用linux-x.y.z.tar.bz2形式的文件名，這里的x.y.z是內(nèi)核源代碼的具體版本號，下載到源代碼包后，解壓和抽取就很簡單了，如果你下載的是bzip2包，運行：

$ tar xvjf linux-x.y.z.tar.bz2

如果你下載的是gzip包，則運行：

$ tar xvzf linux-x.y.z.tar.gz

無論執(zhí)行上面哪一個命令，最后都會將源代碼解壓和抽取到linux-x.y.z目錄下，如果你使用Git下載和管理內(nèi)核源代碼，你不需要下載tar包，只需要運行g(shù)it clone命令，它就會自動下載和解壓。

內(nèi)核源代碼通常都會安裝到/usr/src/linux下，但在開發(fā)的時候最好不要使用這個源代碼樹，因為針對你的C庫編譯的內(nèi)核版本通常也鏈接到這里的。

應(yīng)用補丁

Linux內(nèi)核開發(fā)人員會將自己的修改做成補丁與其它人員分享，而且補丁是增量的，增量補丁是從一個內(nèi)核樹移動到另一個內(nèi)核樹的有效方法，不用下載完整的內(nèi)核包就可以升級內(nèi)核，不僅可節(jié)省帶寬，也節(jié)省了內(nèi)核升級時間，應(yīng)用補丁之前先進入內(nèi)核源代碼樹所在目錄，然后運行：

$ patch –p1 < ../patch-x.y.z

注意，補丁包也有明確的版本號，這里的版本號與Linux內(nèi)核源代碼的版本號要一致，內(nèi)核和補丁版本號不一致時，強制應(yīng)用補丁會引起意想不到的后果。

內(nèi)核源代碼樹介紹

內(nèi)核源代碼樹分為許多目錄，它們下面又包含許多子目錄，源代碼樹的頂級目錄及其描述參見下表。

在源代碼樹的根目錄下還有很多文件需要說明，COPYING是內(nèi)核許可描述文件（即GNU GPL v2），CREDITS是參與Linux內(nèi)核的開發(fā)人員名單，MAINTAINERS列出了維護各個子系統(tǒng)和驅(qū)動的個人，Makefile是內(nèi)核Makefile的基礎(chǔ)。

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生成內(nèi)核

生成內(nèi)核其實很簡單，甚至比編譯和安裝其它系統(tǒng)級組件，如glibc還要簡單，從2.6版本開始，Linux內(nèi)核引入了一個新的配置和生成系統(tǒng)，它使生產(chǎn)內(nèi)核的操作變得更加簡單了。

配置內(nèi)核

既然已經(jīng)拿到內(nèi)核源代碼，那我們在開始編譯前就可以根據(jù)需要自行配置和定制，可以編譯你指定的功能和想要的驅(qū)動，配置內(nèi)核是生成內(nèi)核必須的一步，因為內(nèi)核提供了大量的功能，支持各種不同的硬件，有很多都需要配置，內(nèi)核配置是由配置選項控制的，配置選項都有CONFIG前綴，例如，對稱多處理（SMP）是由CONFIG_SMP配置選項配置的，如果設(shè)置了這個選項，SMP就被啟用了，反之則被禁用，配置選項可以確定會生成哪個文件，也可以通過預(yù)處理指令操控代碼。

配置選項可以控制生成過程要么是布爾型，要么是三態(tài)型，布爾型就是“是”或“否”，大部分內(nèi)核配置選項都屬于布爾型，如CONFIG_PREEMPT，而三態(tài)型則在“是”和“否”的基礎(chǔ)上，又增加一個“模塊”選項，模塊選項表示配置選項被設(shè)置了，但最后會編譯成模塊，而不是直接編譯進內(nèi)核，模塊可以理解為可獨立動態(tài)載入的對象，一般來說，驅(qū)動配置通常都是三態(tài)型。

配置選項也可以是字符串或整數(shù)，這樣的選項不會控制生成過程，指定的值由內(nèi)核源代碼訪問預(yù)處理宏時使用，例如，可以為某個配置選項指定靜態(tài)分配數(shù)組的大小。

Linux廠商也會隨發(fā)行版提供預(yù)編譯的內(nèi)核，如Canonical為Ubuntu，或Red Hat為Fedora提供的內(nèi)核，這樣的內(nèi)核通常只啟用了需要的內(nèi)核功能，幾乎所有驅(qū)動都被編譯成模塊了，這樣的內(nèi)核提供了一個良好的基礎(chǔ)內(nèi)核和廣泛的硬件模塊支持，無論如何，想要成為內(nèi)核高手，你應(yīng)該編譯自己的內(nèi)核。

值得慶幸的是，內(nèi)核提供了很多工具簡化配置 ，最簡單的工具是基于文本命令行的實用程序，如：

$ make config

這個工具會一個選項一個選項地配置，但用戶需要參與，如指定“是（y）”，“否（m）”還是“模塊（m）”，整個配置過程需要很長的時間，因此，除非是有人按小時計費請你升級內(nèi)核，實在找不出別的理由用這種最原始的方法配置內(nèi)核了，相反，有現(xiàn)成的基于ncurses的圖形化工具可以代替。

$ make menuconfig

或是基于gtk+的圖形化工具

$ make gconfig

上述三個工具都將配置選項分成多個類別，如“處理器類型和特征”，你可以在這些類別上來回移動，查看內(nèi)核選項，當(dāng)然也可以修改它們的設(shè)置了。

下面這個命令會根據(jù)你的架構(gòu)創(chuàng)建一個默認的配置基礎(chǔ)。

$ make defconfig

雖然默認配置有些武斷（在i386上，默認配置是由Linus配置的），但如果你從未配置過內(nèi)核，它提供了一個良好的開端。

配置選項存儲在源代碼樹根目錄下一個名叫.config的文件中，你可以打開這個文件手工編輯其中的配置選項，修改后或要在新的內(nèi)核源代碼樹上應(yīng)用現(xiàn)有配置文件，你可以使用下面的命令驗證和更新配置：

$ make oldconfig

在生成內(nèi)核之前必須運行這個命令。

配置選項CONFIG_IKCONFIG_PROC指定了完整的內(nèi)核配置文件壓縮包位置，默認是/proc/config.gz，這樣在生成新內(nèi)核時要克隆現(xiàn)有的配置就變得非常簡單了。如果你當(dāng)前的內(nèi)核開啟了這個選項，你可以從/proc拷貝該配置文件，然后在此基礎(chǔ)上生成新的內(nèi)核：

$ zcat /proc/config.gz > .config
$ make oldconfig

內(nèi)核配置好后，使用下面的命令進行生成：

$ make

和2.6以前的內(nèi)核不一樣，在生成內(nèi)核前不再需要執(zhí)行make dep命令了，依賴樹會自動維護，也不需要再指定特定的生成類型，如bzImage，或獨立生成模塊，默認Makefile規(guī)則會自動處理好一切。

將干擾信息最小化

在生成過程中會遭到警告和錯誤的干擾。最小化干擾信息的一個訣竅是重定向make的輸出，但仍然會看到一些警告和錯誤：

$ make > ../detritus

如果你想查看生成輸出，你可以事后閱讀這個文件，如果你完全不想看到任何輸出，那么就重定向到/dev/null：

$ make > /dev/null

同時執(zhí)行多個生成作業(yè)

Make命令提供了一個功能可以將生成過程拆分成多個平行的作業(yè)，這些作業(yè)可以獨立運行，也可以并行運行，在多處理器系統(tǒng)上可以極大地提高生成速度，也提高了處理器利用率，因為生成大型源代碼樹會出現(xiàn)大量的I/O等待時間。

默認情況下，make只能拆分成一個作業(yè)，因為Makefiles常常會包含不正確的依賴信息，如果真是這樣，多個并行執(zhí)行的作業(yè)將會引起混亂，最終會導(dǎo)致生成過程失敗，如果Makefiles中的依賴信息無誤，那么完全可以拆分成多個作業(yè)執(zhí)行，如：

$ make –jn

這里的n表示拆分的作業(yè)數(shù)量，通常按每個處理器拆分成1-2個作業(yè)，例如，在一個16核心的機器上 ，你可以運行：

$ make -j32 > /dev/null

使用distcc或ccache等優(yōu)秀的工具也可以大大提高生成速度。

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安裝新內(nèi)核

內(nèi)核生成好之后，你需要安裝它，如何安裝于系統(tǒng)架構(gòu)和引導(dǎo)加載程序有關(guān)，我們以x86架構(gòu)，grub引導(dǎo)加載程序為例進行說明。

首先將arch/i386/boot/bzImage拷貝到/boot，重命名為vmlinuz- version，這里的version也是版本號，然后編輯/boot/grub/grub.conf，為新內(nèi)核添加相應(yīng)的項目，如果是使用LILO引導(dǎo)裝載程序，則修改/etc/lilo.conf文件，然后運行l(wèi)ilo。

模塊的安裝與系統(tǒng)架構(gòu)無關(guān)，都是自動完成的，以root用戶運行：

% make modules_install

這個命令會將所有編譯好的模塊安裝到/lib/modules下對應(yīng)的子目錄中。

生成過程會在源代碼樹根目錄下創(chuàng)建一個System.map文件，它包含一個符號查找表，映射內(nèi)核符號到它們的起始地址，在調(diào)試期間可以用它將內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換成函數(shù)和變量名。

可能會遇到的問題

與普通用戶空間的應(yīng)用程序相比，Linux內(nèi)核有多個特殊的屬性，下面是我認為最重要的一些不同：

◆內(nèi)核既不訪問C庫也不訪問標(biāo)準(zhǔn)C頭；

◆內(nèi)核是用GNU C編碼的；

◆內(nèi)核缺少用戶空間提供的內(nèi)存保護；

◆內(nèi)核不能容易地執(zhí)行浮點運算；

◆內(nèi)核有一個小型的固定大小的進程堆棧；

◆由于內(nèi)核支持異步中斷和SMP，因此同步和并發(fā)是內(nèi)核主要擔(dān)心的問題；

◆可移植性也很重要。

下面我們就逐個來了解一下這些問題，所有內(nèi)核開發(fā)人員都必須記住它們。

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無libc或標(biāo)準(zhǔn)頭

和用戶空間應(yīng)用程序不一樣，內(nèi)核并沒有鏈接到標(biāo)準(zhǔn)的C庫，也沒有鏈接到任何其它的庫，這樣設(shè)計的原因有很多，包括如先有雞還是先有蛋的問題，但主要原因還是速度和內(nèi)核大小，不要說完整的C庫，就是它的一個子集也夠大，內(nèi)核太大只會導(dǎo)致效率低下。

不要擔(dān)心，許多常用的libc函數(shù)都在內(nèi)核中實現(xiàn)了，例如，常見的字符串操作函數(shù)就位于lib/string.c中，只需要包括它的頭文件<linux/string.h >就可以了。

這里的頭文件指的是內(nèi)核源代碼樹中的頭文件，內(nèi)核也只能使用樹內(nèi)的頭文件，基礎(chǔ)文件位于源代碼根目錄的include/目錄下，例如，<linux/inotify.h>頭文件就位于include/linux/inotify.h。

與架構(gòu)相關(guān)的頭文件則位于arch/<architecture>/include/asm，例如，如果在x86架構(gòu)下編譯，與你架構(gòu)相關(guān)的文件就是arch/x86/include/asm，只需要在引用這些頭的地方加上asm/前綴即可，如<asm/ioctl.h>。

漏掉的大部分都是類似printf()這樣的函數(shù)，內(nèi)核不會使用printf()，但它提供了printk()函數(shù)，其表現(xiàn)絕不比printf()差，printk()會拷貝格式化的字符串到內(nèi)核日志緩沖區(qū)，syslog程序就是從這里讀取信息的，其用法也和printf()類似：

printk("Hello world! A string '%s' and an integer '%d'\n", str, i);

printf()和printk()之間最大的不同是，printk()允許你指定一個優(yōu)先級標(biāo)記，syslogd使用這個標(biāo)記確定在哪里顯示內(nèi)核消息，下面是一個使用優(yōu)先級標(biāo)記的示例：

printk(KERN_ERR "this is an error!\n");

注意在KERN_ERR和打印的消息之間沒有逗號，這是故意這么設(shè)計的，優(yōu)先級使用一個預(yù)定義的字符定義，在編譯期間它與打印的信息是串聯(lián)的。

GNU C

和許多Unix內(nèi)核類似，Linux內(nèi)核也是用C編寫的，但也許會讓人很意外，內(nèi)核不是用嚴(yán)謹?shù)腁NSI C編寫的，內(nèi)核開發(fā)人員用的卻是gcc（GNU編譯器集，包含了編譯內(nèi)核和Linux C程序的C編譯器）中的各種語言擴展。

內(nèi)核開發(fā)人員同時使用了C語言的ISO C99和GNU C擴展，這些變化讓Linux內(nèi)核與gcc結(jié)合得更緊密，但最近又出現(xiàn)了一個編譯器 – 英特爾的C編譯器 – 也對gcc的功能支持得相當(dāng)好，因此也可以用它來編譯Linux內(nèi)核。最低支持的gcc版本是3.2，建議采用gcc 4.4或更高的版本編譯。使用ISO C99擴展也是可以的，因為C99是C語言的官方版本。

內(nèi)聯(lián)函數(shù)

C99和GNU C都支持內(nèi)聯(lián)函數(shù)，內(nèi)聯(lián)函數(shù)是直接插入到每個函數(shù)調(diào)用的位置的，消除了函數(shù)調(diào)用和返回的開銷，允許進一步優(yōu)化，因為編譯器可以同時優(yōu)化調(diào)用者和被調(diào)用函數(shù)，但它也有缺點，代碼大小會增加，因為函數(shù)的內(nèi)容被直接復(fù)制到所調(diào)用者內(nèi)部了，因此也會增加內(nèi)存消耗和指令緩存空間。內(nèi)核開發(fā)人員一般在小型時間很關(guān)鍵的函數(shù)中才會使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)。

定義函數(shù)時，使用static和inline關(guān)鍵字聲明內(nèi)聯(lián)函數(shù)，例如：

static inline void wolf(unsigned long tail_size)

函數(shù)必須先聲明后使用，否則編譯器就不能使函數(shù)內(nèi)聯(lián)，一般做法是將內(nèi)聯(lián)函數(shù)放在頭文件中，因為它們被標(biāo)記為static，不會創(chuàng)建輸出函數(shù)，如果內(nèi)聯(lián)函數(shù)僅在一個文件中使用，可以放在該文件的頂部。

在內(nèi)核中，與復(fù)雜的宏相比，出于安全和可讀性方面考慮，內(nèi)聯(lián)函數(shù)是首選。

內(nèi)聯(lián)匯編

Gcc C編譯器允許在C函數(shù)中嵌入?yún)R編指令，asm()編譯器指令用于內(nèi)聯(lián)匯編代碼，例如，這個內(nèi)聯(lián)匯編指令執(zhí)行x86處理器的rdtsc指令，返回時間戳寄存器（tsc）的值：

unsigned int low, high;
asm volatile("rdtsc" : "=a" (low), "=d" (high));
/* low and high now contain the lower and upper 32-bits of the 64-bit tsc */

Linux內(nèi)核是用C和匯編語言混合編寫的，與底層硬件相關(guān)的代碼很多都是用匯編語言寫的，剩下的大部分內(nèi)核代碼都是直接用C編寫的。

分支注解

Gcc C編譯器內(nèi)置了一個指令優(yōu)化條件分支，內(nèi)核將這個打包成易于使用的宏 - likely()和unlikely()。

先看下面這樣的if語句：

if (error) {
        /* ... */
}

將這個分支標(biāo)記為非常不可能采用

/* we predict 'error' is nearly always zero ... */
if (unlikely(error)) {
        /* ... */
}

相反，將這個分支標(biāo)記為非常可能采用

/* we predict 'success' is nearly always nonzero ... */
if (likely(success)) {
        /* ... */
}

當(dāng)分支指令已經(jīng)知道一個優(yōu)先級，或你想在一種情況下優(yōu)化另一種情況時應(yīng)該使用上述指令，最重要的是，當(dāng)分支正確標(biāo)記時，這些指令會提升性能，但如果分支標(biāo)記錯誤則會降低性能，在內(nèi)核代碼中，unlikely()要使用得更多，因為if語句傾向于表示一種特殊情況。

無內(nèi)存保護

當(dāng)用戶空間的應(yīng)用程序嘗試一個非法的內(nèi)存訪問時，內(nèi)核可以捕捉到錯誤，發(fā)送SIGSEGV信號，殺掉進程，如果內(nèi)核嘗試一個非法的內(nèi)存訪問時，結(jié)果就不受控制了，因為誰也無法去控制內(nèi)核，這也是內(nèi)核最主要的失誤。

此外，內(nèi)核內(nèi)存也是不可分頁的，因此你消耗的每個內(nèi)存字節(jié)都比物理內(nèi)存的一個字節(jié)要少。

不能（容易）使用浮點數(shù)

當(dāng)用戶空間進程使用浮點指令時，內(nèi)核要負責(zé)處理從整型到浮點模式的轉(zhuǎn)換。

與用戶空間不一樣，內(nèi)核不能無縫支持浮點數(shù)，因為它自己不能輕易地捕捉到自己，在內(nèi)核中使用浮點數(shù)需要手動保存和恢復(fù)浮點數(shù)寄存器，因此除非卻有必要，否則盡量不要在內(nèi)核中做浮點運算。

小型，固定大小的堆棧

用戶空間可以靜態(tài)分配許多不同的堆棧，包括巨型結(jié)構(gòu)和千元數(shù)組，這個行為是合法的，因為用戶空間有很大的堆棧，并可以動態(tài)增長。

內(nèi)核堆棧不大也不是動態(tài)的，相反，它很小且是固定的，內(nèi)核堆棧的精確大小根據(jù)架構(gòu)有所不同，在x86上，堆棧大小是在編譯時確定的，一般是4KB或8KB，歷史上，內(nèi)核堆棧有2頁，通常表示它處于32位架構(gòu)上，大小是8KB，如果是16KB就表示是64位架構(gòu)，總之大小是固定的，每個進程接收它自己的堆棧。

同步和并發(fā)

內(nèi)核最容易受競爭條件影響，和一個單線程的用戶空間應(yīng)用程序不一樣，有許多內(nèi)核特性允許同時訪問共享資源，因此需要同步以防止競爭，特別是：

◆Linux是一種搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)，進程是由內(nèi)核的進程調(diào)度器隨意調(diào)度和再次調(diào)度的，內(nèi)核必須在這些任務(wù)之間同步；

◆Linux支持對稱多處理（SMP），因此，如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo，在兩個或多個處理器上同時執(zhí)行的內(nèi)核代碼可能會同時訪問相同的資源；

◆中斷是異步發(fā)生的，因此，如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo，在訪問資源期間也可能發(fā)生中斷，中斷處理程序可能就會訪問到相同的資源；

◆Linux是有優(yōu)先權(quán)的，因此，如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo，內(nèi)核代碼可能會優(yōu)先執(zhí)行，訪問其它代碼正在使用的資源。

解決這些問題的一般方法是自旋鎖和信號量。

可移植性的重要性

雖然用戶空間應(yīng)用程序一般不會太重視可移植性，但Linux的確是一個可移植性操作系統(tǒng)，應(yīng)該保持一致，這意味著與架構(gòu)無關(guān)的C代碼必須在大量的系統(tǒng)上正確地編譯和運行，與架構(gòu)相關(guān)的代碼必須在內(nèi)核源代碼樹中使用特定的目錄分隔開。

總結(jié)

可以肯定，內(nèi)核有它獨特的性質(zhì)，它有它自己的一些原則，不過，內(nèi)核的復(fù)雜性和障礙與其它大型軟件項目相比，并沒有什么大的不同，Linux開發(fā)道路上最重要的一步是認識到內(nèi)核并不可怕，不熟悉？當(dāng)然！不可逾越？當(dāng)然不是！

原文地址：http://www.informit.com/articles/article.aspx?p=1610334

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