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一、內(nèi)核行數(shù)

Linux內(nèi)核分為CPU調(diào)度、內(nèi)存管理、網(wǎng)絡和存儲四大子系統(tǒng)，針對硬件的驅(qū)動成百上千。代碼的數(shù)量更是大的驚人。

先說說最早的內(nèi)核linux 0.11，下面這本書可以說很多驅(qū)動工程師都學習過，我花了大概1個半月，勉強看了一遍。

再來看看內(nèi)核代碼量的統(tǒng)計。

2020年1月1日，Linux內(nèi)核Git源碼樹中的代碼達到了2780萬行。

phoronix網(wǎng)站統(tǒng)計了Linux內(nèi)核在進入2020年時的一些源碼數(shù)據(jù)并作了總結(jié)。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，Linux內(nèi)核源碼樹共有：

27852148行(包括文檔、Kconfig文件、樹中的用戶空間實用程序等)、

887925次commit

21074位不同的作者

2780萬行代碼分布在66492個文件中。

Linux內(nèi)核從最初的10000行代碼到現(xiàn)在的2780萬行代碼就是全球精英共同貢獻的結(jié)果。

按照一天一萬行的速度，也需要2700天，也需要7年多。

這還是建立在所有單次都認識，

所有代碼邏輯看了的都懂，

而且都不忘記的基礎上。

實際上即使我們真的看完了，

幾年后內(nèi)核又會有非常大的變化，

可以說一輩子都看不完Linux內(nèi)核的代碼。

Linux內(nèi)核Git源碼樹中的代碼達到了2780萬行，核心代碼只有2%是由李納斯•托瓦茲自己編寫的，其他均是其他個人和組織貢獻的，李納斯•托瓦茲公開了Linux但保留了選擇新代碼和需要合并的新方法的最終裁定權(quán)。

除了Linus Torvalds，對內(nèi)核貢獻最多的是David S.Miller、 Mark Brown、Takashi Iwai、Arnd Bergmann、Al Viro和Mauro Carvalho Chehab。

而參與貢獻的公司，從域名統(tǒng)計來看，谷歌、Intel與Red Hat排在了最前列。

二、內(nèi)核目錄文件大小

然而，現(xiàn)在的內(nèi)核已經(jīng)膨脹的不成樣子了，以還不算最新的linux-4.1.15為例：

整個內(nèi)核源碼一共約 793M：

驅(qū)動代碼占了大概一半，大約380M:

體系相關(guān)的代碼大約134M：

網(wǎng)路子系統(tǒng)相關(guān)的代碼26M：

文件系統(tǒng)相關(guān)的代碼37M:

linux內(nèi)核核心代碼大約6.8M:

這些目錄任意一個目錄想完全看明白都非常不容易。

三、內(nèi)核子系統(tǒng)

什么是內(nèi)核：

在計算機科學中是一個用來管理軟件發(fā)出的數(shù)據(jù)I/O(輸入與輸出)要求的計算機程序，將這些要求轉(zhuǎn)譯為數(shù)據(jù)處理的指令并交由中央處理器(CPU)及計算機中其他電子組件進行處理，是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中最基本的部分。

它是為眾多應用程序提供對計算機硬件的安全訪問的一部分軟件，這種訪問是有限的，并由內(nèi)核決定一個程序在什么時候?qū)δ巢糠钟布僮鞫嚅L時間。

linux內(nèi)核代碼涉及知識點包括匯編指令、c語言、硬件組成原理、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法、各種外設總線、驅(qū)動、網(wǎng)絡協(xié)議棧。

直接對硬件操作是非常復雜的。所以內(nèi)核通常提供一種硬件抽象的方法，來完成這些操作。

通過進程間通信機制及系統(tǒng)調(diào)用，應用進程可間接控制所需的硬件資源(特別是處理器及IO設備)。

最上面是用戶(或應用程序)空間。這是用戶應用程序執(zhí)行的地方。用戶空間之下是內(nèi)核空間，Linux 內(nèi)核正是位于這里。

GNU C Library (glibc)也在這里。它提供了連接內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用接口，還提供了在用戶空間應用程序和內(nèi)核之間進行轉(zhuǎn)換的機制。

內(nèi)核和用戶空間的應用程序使用的是不同的保護地址空間。

每個用戶空間的進程都使用自己的虛擬地址空間，而內(nèi)核則占用單獨的地址空間。

Linux 內(nèi)核可以進一步劃分成 3 層。最上面是系統(tǒng)調(diào)用接口，它實現(xiàn)了一些基本的功能，例如 read 和 write。

系統(tǒng)調(diào)用接口之下是內(nèi)核代碼，可以更精確地定義為獨立于體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)核代碼。這些代碼是 Linux 所支持的所有處理器體系結(jié)構(gòu)所通用的。

在這些代碼之下是依賴于體系結(jié)構(gòu)的代碼，構(gòu)成了通常稱為 BSP(Board Support Package)的部分。這些代碼用作給定體系結(jié)構(gòu)的處理器和特定于平臺的代碼。

內(nèi)核主要系統(tǒng)包括：SCI：系統(tǒng)調(diào)用接口 PM：進程管理 VFS：虛擬文件系統(tǒng) MM：內(nèi)存管理 Network Stack：內(nèi)核協(xié)議棧 Arch：體系架構(gòu) DD：設備驅(qū)動

1 系統(tǒng)調(diào)用接口

SCI 層提供了某些機制執(zhí)行從用戶空間到內(nèi)核的函數(shù)調(diào)用。這個接口依賴于體系結(jié)構(gòu)，甚至在相同的處理器家族內(nèi)也是如此。

SCI 實際上是一個非常有用的函數(shù)調(diào)用多路復用和多路分解服務。

在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實現(xiàn)，并在 ./linux/arch 中找到依賴于體系結(jié)構(gòu)的部分。

2 進程管理

進程管理的重點是進程的執(zhí)行。

在內(nèi)核中，這些進程稱為線程，代表了單獨的處理器虛擬化(線程代碼、數(shù)據(jù)、堆棧和 CPU 寄存器)。

在用戶空間，通常使用進程 這個術(shù)語，不過 Linux 實現(xiàn)并沒有區(qū)分這兩個概念(進程和線程)。

內(nèi)核通過 SCI 提供了一個應用程序編程接口(API)來創(chuàng)建一個新進程(fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSIX] 函數(shù))，停止進程(kill、exit)，并在它們之間進行通信和同步(signal 或者 POSIX 機制)。

3 內(nèi)存管理

內(nèi)核所管理的另外一個重要資源是內(nèi)存。為了提高效率，如果由硬件管理虛擬內(nèi)存，內(nèi)存是按照所謂的內(nèi)存頁方式進行管理的(對于大部分體系結(jié)構(gòu)來說都是 4KB)。

Linux 包括了管理可用內(nèi)存的方式，以及物理和虛擬映射所使用的硬件機制。

4 虛擬文件系統(tǒng)

虛擬文件系統(tǒng)(VFS)是 Linux 內(nèi)核中非常有用的一個方面，因為它為文件系統(tǒng)提供了一個通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和內(nèi)核所支持的文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層。

在 VFS 上面，是對諸如 open、close、read 和 write 之類的函數(shù)的一個通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系統(tǒng)抽象，它定義了上層函數(shù)的實現(xiàn)方式。

它們是給定文件系統(tǒng)(超過 50 個)的插件。文件系統(tǒng)的源代碼可以在 ./linux/fs 中找到。

文件系統(tǒng)層之下是緩沖區(qū)緩存，它為文件系統(tǒng)層提供了一個通用函數(shù)集(與具體文件系統(tǒng)無關(guān))。

這個緩存層通過將數(shù)據(jù)保留一段時間(或者隨即預先讀取數(shù)據(jù)以便在需要是就可用)優(yōu)化了對物理設備的訪問。緩沖區(qū)緩存之下是設備驅(qū)動程序，它實現(xiàn)了特定物理設備的接口。

5 網(wǎng)絡堆棧

網(wǎng)絡堆棧在設計上遵循模擬協(xié)議本身的分層體系結(jié)構(gòu)。

回想一下，Internet Protocol (IP) 是傳輸協(xié)議(通常稱為傳輸控制協(xié)議或 TCP)下面的核心網(wǎng)絡層協(xié)議。TCP 上面是 socket 層，它是通過 SCI 進行調(diào)用的。

socket 層是網(wǎng)絡子系統(tǒng)的標準 API，它為各種網(wǎng)絡協(xié)議提供了一個用戶接口。

從原始幀訪問到 IP 協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，再到 TCP 和 User Datagram Protocol (UDP)，socket 層提供了一種標準化的方法來管理連接，并在各個終點之間移動數(shù)據(jù)。內(nèi)核中網(wǎng)絡源代碼可以在 ./linux/net 中找到。

6 設備驅(qū)動程序

Linux 內(nèi)核中有大量代碼都在設備驅(qū)動程序中，它們能夠運轉(zhuǎn)特定的硬件設備。

Linux 源碼樹提供了一個驅(qū)動程序子目錄，這個目錄又進一步劃分為各種支持設備，例如 Bluetooth、I2C、serial 等。設備驅(qū)動程序的代碼可以在 ./linux/drivers 中找到。

下面這個圖形象的講解了Linux內(nèi)核都有哪些東西!

四、如何學習內(nèi)核?

1. 學習主線

linux內(nèi)核源碼大而全，一個人，即使再聰明、再有精力，也不可能完全看完、看懂所有的linux內(nèi)核源碼。

一口君建議按照以下主線進行深入研究：

• linux驅(qū)動架構(gòu)
• linux網(wǎng)絡子系統(tǒng)

linux內(nèi)核啟動過程

• linux內(nèi)存管理機制
• linux調(diào)度器
• linux進程管理
• linux虛擬機制(kvm)
• linux內(nèi)核實時化技術(shù)

沿著某一個主線，深入進去，在研究清楚這個主線的同時，向其他的主線擴展、滲透和學習。

此處之所以將驅(qū)動列為學習內(nèi)核的入口，是因為內(nèi)核為很多外設驅(qū)動實現(xiàn)了架構(gòu)， 比如I2C、SPI、UART、PCIE、字符設備、網(wǎng)絡設備、塊設備， 我們可以從最基本的字符設備學起， 學習如何編寫一個簡單的模塊 學習如何如何為一些簡單的設備比如LED、KEY、ADC等編寫驅(qū)動 可以說驅(qū)動是我們學習內(nèi)核最簡單的入口，

由點到線、由線到面、由面到體，層層深入、不斷精進，是學習linux內(nèi)核源碼的一個有效的方法。

2. 代碼閱讀工具

對于代碼閱讀方法從兩個角度來介紹，一個方面是需要選擇一個比較有效閱讀代碼的工具。

一口君強烈推薦：source insight這款閱讀代碼神器!

也可以使用vscode或者vim+ctags的組合。

不過一口君十幾年的從業(yè)經(jīng)驗，

99%以上的開發(fā)人員都選擇SI閱讀內(nèi)核代碼。

代碼并不是寫給人看的，而是交給機器運行的。

所以我們?nèi)ダ斫鈩e人的代碼時，并不能像看小說一樣去通篇的閱讀代碼，而應該是像研究化石一樣去調(diào)查它，解密它。

有時我們往往也需要把對方的一段代碼親手的實現(xiàn)一遍，然后自己舉一反三看自己會怎么去實現(xiàn)它，才能真正的理解。

3. 學習的內(nèi)核版本

有些人推薦先閱讀一些低版本的內(nèi)核，比如0.01版的，總代碼量才1萬行左右。

閱讀這個代碼大概一個月應該能比較清晰了。

但是，改代碼與現(xiàn)在的代碼差異巨大，閱讀后可以理解基本思想，但對理解現(xiàn)有代碼的幫助不是特別明顯。

3.10版本之后的內(nèi)核都支持設備樹!

所以一口君建議是盡量選擇3.10版本之后的代碼閱讀學習。

最好選擇一款開發(fā)板學習!

開發(fā)板的選擇一定要選擇資料比較全，

售后比較好的品牌!

否則學習中遇到的一個小問題都可能被卡個一兩周。

無形中增加了學習的成本，

要知道時間就是金錢!

對于初學者來說，

強烈推薦正點原子的開發(fā)板!

4. 學習Linux最重要的是培養(yǎng)自己寫代碼的能力和對Linux框架結(jié)構(gòu)的了解

Linux內(nèi)核中絕大部分代碼都是由這個地球上頂尖的技術(shù)大牛所編寫，

這些代碼的高內(nèi)聚低耦合，

其精準度，簡潔度、質(zhì)量都相當?shù)母撸?/p>

每每看到一段高質(zhì)量的代碼，

一口君都會被那一行行枯燥的代碼背后隱藏的設計思想所震撼，所折服!

閱讀內(nèi)核的代碼簡直就是在欣賞藝術(shù)品!

很多粉絲問我如何提高自己的C語言編程水平， 一口君不厭其煩的 重復著同樣一句話：看Linux內(nèi)核!

代碼中自由顏如玉!代碼中自有黃金屋!

我們一定要像泡妞一樣來泡內(nèi)核!

時刻保持激情，任性和耐性!

耐住寂寞，天天讀它，泡她!

從量變到質(zhì)變!

水滴石穿!

愿各位都能夠熟練掌握Linux

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「一口Linux」