Linux内核学习趣谈
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从大二开始学习Linux内核,到现在已经4年了。在大学的时候,学习Linux内核仅仅是作为一种爱好,因为国内罕有人能在本科毕业之后直接从事Linux内核研发工作,而哦也从未打算读研。
学习内核是一件很有趣的事情。仅仅是出于兴趣。当很想知道命令是如何从键盘输入到计算机并且关联到进程的时候,我翻出了Linux内核的源代码。然而,面对的问题越来越多,好像一个潘多拉盒子,一旦打开了,就一发不可收拾。当很想知道什么是进程的时候,会去翻阅内核关于进程的结构体。然而,更复杂的问题是,内核的作者是怎么在一个裸机上相处要把“进程”这个概念意淫出来的呢?这一系列的问题对我的吸引好似毒瘾。
操作系统本质的任务是为了是计算机工作更有效率,各种资源压榨更彻底。所以,内核hacker本质上是最优秀的吸血鬼。
正因为操作系统需要压榨硬件的资源,所以需要对硬件比较熟悉——当然,并不是说每个内核工程师都是驱动工程师。有的可能只是对算法比较有研究,优化了某一个数据结构或者算法。然而,所有的优化都是为了使硬件干活儿更有效率,所以,对硬件的熟悉是最基础的——如果不熟悉硬件的特性,那么,即便做了很多的优化,也是为了优化而优化。
与操作系统关系最密切的硬件莫过于CPU。关于CPU,最核心的莫过于多任务管理、内存管理。前者是操作系统的两大核心之一,后者是前者的基础。
关于CPU的任务,有三个概念必须要搞清楚。任务的定义、上下文切换、内存的分段segment(注意与汇编里的代码段、数据段、堆栈段区分,这三个概念一般是在同一个物理内存的segment内的)。其中,任务基本上是意淫出来的(个人观点)。对于CPU而言,需要做的就是去查IP指向了内存的哪里,然后去执行,至于是否是一个任务,它本身不在意。而当intel人为地定义出一个任务概念之后,关于任务这个对象的属性就出来了,intel用一个专用tr寄存器用于存储指向当前任务的任务描述符地址。当tr指向哪一条任务描述符了,哪一个任务就被意淫为正在执行。当tr指向另外一个任务描述符的时候,另外一个任务就是正在执行了。Linux内核有专门的switch_to()这样一个宏定义(实际上是汇编指令)来做这个事儿。这个过程被称为上下文切换。当然,上下文切换有很多复杂的工作要做,最基本的就是要把当前的任务的执行情况保存起来。
如何保存呢?
当然要用到栈了。(栈并非是C语言专用的数据结构,而是一种通用的数学概念,一种通用的机制,只不过天朝的叫兽很喜欢把C和栈捏到一起意淫)。
早期的Linux内核为一个进程分配了一个page减去task_struct大小的内核栈,用于存储内核态的上下文信息。
说远了,回到上下文切换的概念。
大家都知道上下文切换是一个很耗费资源的工作。应该尽量避免。
有一个很傻很天真的问题摆在这里。
既然上下文切换是应该避免的问题,为什么内核还要提供上下文切换的功能呢?那不是在自己打嘴巴吗?
准确的说,这是一个关于人性本自私的话题的探讨——觉得穿越了吧?
说上下文切换不好,是站在应用(说话者所支持的应用)的立场来说话的。比如说,一个Linux企业系统出现了大量的上下文切换,DBA抱怨说,这个系统太fuck了,Oracle还怎么跑嘛?他是站在Oracle的角度来说话的。
而在操作系统的角度,它觉得自己已经协调好了各个任务的资源配置,尽最大的努力让各个任务都能均衡执行。至于各个任务性能还是不能让人满意,关键问题是应用太多了——老子就那么两个核,丢过来几万个任务,上下文切换能不多吗?我日。
至于在CPU的角度,内存里有多少代码,老子就跑多久,一个任务是跑,一万个任务也是跑。老子跑就是了,你应用设计的合不合理,应用跑得爽不爽,关老子鸟事。
好吧,再回到内存分段的概念。
现代操作系统用的其实是分页管理。至于分段管理,那是30年前过时的技术了——可笑的是,直到2013年,天朝很多高校的汇编课程讲解的重点就是80x86的分段管理(还是实模式那种)。
80x86系列的分页管理核心在于逻辑地址、虚拟地址、线性地址、物理地址之间的转换。页目录、页表实现的机制。
CPU的三个概念就占了很大的篇幅了。说了这么多,不是想在这里讲解很多知识。主要是想说明,Linux内核学习是一个很复杂的问题,是一个真正的兴趣驱动的过程。相对而言,如果你选择一个商业产品,无论你多么自信地说自己爱Oracle数据库,恨不能天天与它做爱,但是,参加一个月培训后,就能正常干活了——对你而言实在是太容易了。
你需要持续的动力,持续的热情。需要能在一个夜晚读内核源代码读到黑夜变白天。
有这种战斗的精神,无论是Linux内核,还是你喜欢的女孩子,还是事业,都是你的。