一、获取内核源码

1. Git

  • git实际上是一种开源的分布式版本控制工具。

  • Linux作为一个开源的内核，其源代码也可以用git下载和管理

      - 获取最新提交到版本树的一个副本
  - $ git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git
  - 下载代码后，更新自己的分支到最新分支
  - $ git pull

2.安装内核源代码

  • 压缩形式为bzip2：$ tar xvjf linux-x.y.z.tar.bz2

  • 压缩形式为zip：$ tar xvzf linux-x.y.z.tar.gz 

      关于参数：
  -x 解开.tar格式的文件
  -v 显示详细信息
  -j 使用bzip2程序
  -z 使用gzip程序
  -f 使用归档文件

3. 使用补丁

从内部源码树开始，运行$ patch -p1 < ../patch-x,y,z

二、内核源码结构

详见LINUX内核分析第三周学习总结：构造一个简单的LINUX系统MENUOS中第一部分：“Linux内核源码简介”。

目 录描 述
arch特定体系结构的代码
block块设备I/O层
crypo加密API
Documentation内核源码文档
drivers设备驱动程序
firmware使用某些驱动程序而需要的设备固件
fsVFS和各种文件系统
include内核头文件
init内核引导和初始化
ipc进程间通信代码
kernel像调度程序这样的核心子系统
lib同样内核函数
mm内存管理子系统和VM
net网络子系统
samples示例，示范代码
scripts编译内核所用的脚本
securityLinux 安全模块
sound语音子系统
usr早期用户空间代码（所谓的initramfs）
tools在Linux开发中有用的工具
virt虚拟化基础结构
  • COPYIN：内核许可证
  • CREDITS：开发者列表
  • MAINTAINTERS：维护者列表（维护内核子系统和驱动程序）

三、编译内核

1. 配置内核（关于make与config）

（1）相关

  • Makefile：根据配置的情况，构造出需要编译的源文件列表，然后分别编译，并把目标代码链接到一起，最终形成 Linux 内核二进制文件。
  • config.in：内核配置文件，给用户提供配置选择的功能。
  • 配置工具：包括配置命令解释器（make config）和配置用户界面（例如：make menuconfig：基于ncurse库的图形界面工具；make gconfig：基于gtk+的图形工具...）。
  • .config：用户用来存放内核配置后结果的文件。
  • 可以配置的各种选项：用CONFIG_FEATURE形式表示，其前缀为CONFIG。

（2）命令

  • make config：遍历所有配置项，并让用户选择
  • make deconfig：按默认的配置
  • make oldconfig：先将/boot目录下的配置文件写进.config文件中，采用的是注释的形式写进新增加的功能。
  • zcat /proc/config.gz > .config：配置选项CONFIG_IKCONFIG_PROC会把完整的压缩过的内核配置文件存放在/proc/config.gz中，再次编译时可以方便地克隆当前的配置。
  • make：默认的Makefile自动化编译。

2. 其它事项

  • 减少垃圾信息

      $ make > ../detritus
  #将错误报告和警告信息重定向到文件中
  $ make > /dev/null
  #将无用的输出信息重定向到/dev/null中

  - /dev/null：空设备，输入的信息直接丢弃

  • 衍生多个编译作业：make程序能把编译过程拆分成多个并行的作业。其中每个作业独立并发地运行，有助于加快多处理器系统上的编译过程，也有利于改善处理器的利用率。默认情况下，make只衍生一个作业。

      $ make -jn
  #以多个作业编译内核

  - j：指定同时执行多任务
  - n：要衍生出的作业数

3. 安装新内核

make modules_install
#把所有已编译的模块安装到正确的主目录/lib/modules下
  • System.map文件：编译时在内核代码树的根目录下创建的符号对照表。用来将内核符号与它们的起始地址对应起来。

四、内核开发特点

1. 无libc库/标准头文件

  • 原因：（速度与大小）保证内核高效和简练。

  • 内核源代码文件不能包含外部头文件。

    • 基本头文件：内核源代码顶级目录下的include中
    • 体系结构相关头文件：内核源代码树的arch/<architecture>/include/asm目录下

  • printk()函数：把格式化好的字符串拷贝到内核日志缓冲区上，syslog程序可以通过读取该缓冲区来获取内核信息。

2. 必须使用GNU C

什么是GNU？GNU是一种操作系统，GNU提供的C编译器就是我们之前使用的gcc。

（1）内联函数

static inline void wolf(unsigned long tail_size);
- static：关键字
- inline：用于限定关键字

  • 内联函数：编译时在它被调用的地方展开。

    • 优点：减少了函数调用的开销，性能较好。
    • 缺点：频繁的使用内联函数也会使代码变长，从而在运行时占用更多的内存。

  • 定义内联函数特点：时间要求高，本身长度较短的函数。

  • 使用之前就要定义好内联函数，一般在头文件中定义。

  • 为了类型安全和易读性，优先使用内联函数而不是复杂的宏。

（2）内联汇编

unsigned int low, high;
asm volatile("rdtsc" : "=a" (low), "=d" (high));
/* low 和 high 分别包含64位时间戳的低32位和高32位 */
- asm：嵌入汇编代码
- volatile：不优化
  • 汇编语言用于偏近底层或对执行时间严格要求的地方。

（3）分支声明

/* 如果error在绝大多数情况下为0(假) */
if (unlikely(error)) {
    /* ... */
}

/* 如果success在绝大多数情况下不为0(真) */
if (likely(success)) {
    /* ... */
}
  • 对于条件选择语句，在一个条件经常/很少出现时，编译器可通过gcc内建的一条指令对条件分支选择进行优化。
  • 内核把这条指令封装成了宏。

3. 没有内存保护机制

  • 内核自己非法访问内存的风险
  • 内核中的内存都不分页：每用掉一个字节，物理内存都减少一个

4. 难以执行浮点运算

  • 使用浮点数时，需要人工保存和恢复浮点寄存器及其他一些繁琐的操作。
  • 不建议使用

5. 每个进程只有一个很小的定长堆栈

  • 内核栈的大小是编译内核时决定的，对于不用的体系结构，内核栈的大小不一样，但都是固定的。（不像用户空间的栈可以动态增长）

6. 必须时刻注意同步和并发

  • 原因：

    • Linux是抢占多任务操作系统
    • 内核支持对称多处理器系统（SMP）
    • 中断异步到来
    • 内核可以抢占

  • 常用解决方法：自旋锁和信号量

7. 考虑可移植性的重要性

  • 需要保持的特点：大部分C语言代码与体系结构无关。

五、总结：关于Linux内核的结构与特点

1. 版本控制

  • 我最早接触git是刚开始使用实验楼的时候，实验楼中的代码保存需要用到其中“我的代码库”功能，实际上就是最简单的git。
  • Linux内核这种开源的代码以及很多项目使用git进行版本控制与协作都是挺方便的。
  • 网上有很多教程可以参考，感觉这个比较全面：Git教程，可以在一些网站上创建自己的代码库，比如：git.oschina，操作过就会发现还是比较简单的。

2. 依据结构和特点的开发

  • 通读本章之后感觉Linux内核的很多要求与一般的项目其实是差不多的，它的这些基本结构、开发的特点，对于理解它各个部分的工作过程是很有帮助的。

参考资料1：《Linux内核设计与实现》（原书第三版）
参考资料2：make config 解惑