分类： LINUX
2013-05-17 17:11:33
原文地址：Linux内核分析方法谈 作者：zhbnx
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Linux的最大的好处之一就是它的源码公开。同时，公开的核心源码也吸引着无数的电脑爱好者和程序员；他们把解读和分析Linux的核心源码作为自己的最大兴趣，把修改Linux源码和改造Linux系统作为自己对计算机技术追求的最大目标。 Linux内核源码是很具吸引力的，特别是当你弄懂了一个分析了好久都没搞懂的问题；或者是被你修改过了的内核，顺利通过编译，一切运行正常的时候。那种成就感真是油然而生！而且，对内核的分析，除了出自对技术的狂热追求之外，这种令人生畏的劳动所带来的回报也是非常令人着迷的，这也正是它拥有众多追随者的主要原因：
由于本人所进行的分析都是基于2.2.5版本的内核；所以，如果没有特别说明，以下分析都是基于i386单处理器的2.2.5版本的Linux内核。所有源文件均是相对于目录/usr/src/linux的。 方法之一：从何入手 要分析Linux内核源码，首先必须找到各个模块的位置，也即要弄懂源码的文件组织形式。虽然对于有经验的高手而言，这个不是很难；但对于很多初级的Linux爱好者，和那些对源码分析很有兴趣但接触不多的人来说，这还是很有必要的。 1、Linux核心源程序通常都安装在/usr/src/linux下，而且它有一个非常简单的编号约定：任何偶数的核心（的二个数为偶数，例如2.0.30）都是一个稳定地发行的核心，而任何奇数的核心（例如2.1.42）都是一个开发中的核心。 2、核心源程序的文件按树形结构进行组织，在源程序树的最上层，即目录/usr/src/linux下有这样一些目录和文件： ◆ COPYING: GPL版权申明。对具有GPL版权的源代码改动而形成的程序，或使用GPL工具产生的程序，具有使用GPL发表的义务，如公开源代码； ◆ CREDITS: 光荣榜。对Linux做出过很大贡献的一些人的信息； ◆ MAINTAINERS: 维护人员列表，对当前版本的内核各部分都有谁负责； ◆ Makefile: 第一个Makefile文件。用来组织内核的各模块，记录了个模块间的相互这间的联系和依托关系，编译时使用；仔细阅读各子目录下的Makefile文件对弄清各个文件这间的联系和依托关系很有帮助； ◆ ReadMe: 核心及其编译配置方法简单介绍； ◆ Rules.make: 各种Makefilemake所使用的一些共同规则； ◆ REPORTING-BUGS:有关报告Bug 的一些内容； ● Arch/ ：arch子目录包括了所有和体系结构相关的核心代码。它的每一个子目录都代表一种支持的体系结构，例如i386就是关于intel cpu及与之相兼容体系结构的子目录。PC机一般都基于此目录； ● Include/: include子目录包括编译核心所需要的大部分头文件。与平台无关的头文件在 include/linux子目录下，与 intel cpu相关的头文件在include/asm-i386子目录下,而include/scsi目录则是有关scsi设备的头文件目录； ● Init/： 这个目录包含核心的初始化代码(注：不是系统的引导代码)，包含两个文件main.c和Version.c，这是研究核心如何工作的好的起点之一。 ● Mm/：这个目录包括所有独立于 cpu 体系结构的内存管理代码，如页式存储管理内存的分配和释放等；而和体系结构相关的内存管理代码则位于arch/*/mm/，例如arch/i386/mm/Fault.c； ● Kernel/：主要的核心代码，此目录下的文件实现了大多数linux系统的内核函数，其中最重要的文件当属sched.c；同样，和体系结构相关的代码在arch/*/kernel中； ● Drivers/： 放置系统所有的设备驱动程序；每种驱动程序又各占用一个子目录：如，/block 下为块设备驱动程序，比如ide（ide.c）。如果你希望查看所有可能包含文件系统的设备是如何初始化的，你可以看drivers/block/genhd.c中的device_setup()。它不仅初始化硬盘，也初始化网络，因为安装nfs文件系统的时候需要网络； ● Documentation/: 文档目录,没有内核代码，只是一套有用的文档，可惜都是English的，看看应该有用的哦； ● Fs/: 所有的文件系统代码和各种类型的文件操作代码，它的每一个子目录支持一个文件系统, 例如fat和ext2； ● Ipc/: 这个目录包含核心的进程间通讯的代码； ● Lib/: 放置核心的库代码； ● Net/: 核心与网络相关的代码； ● Modules/: 模块文件目录，是个空目录，用于存放编译时产生的模块目标文件； ● Scripts/: 描述文件，脚本，用于对核心的配置； 一般，在每个子目录下，都有一个 Makefile 和一个Readme 文件，仔细阅读这两个文件，对内核源码的理解很有用。 对Linux内核源码的分析，有几个很好的入口点：一个就是系统的引导和初始化，即从机器加电到系统核心的运行；另外一个就是系统调用，系统调用是用户程序或操作调用核心所提供的功能的接口。对于那些对硬件比较熟悉的爱好者，从系统的引导入手进行分析，可能来的容易一些；而从系统调用下口，则可能更合适于那些在dos或Uinx、Linux下有过C编程经验的高手。这两点，在后面还将介绍到。 方法之二：以程序流程为线索，一线串珠 从表面上看，Linux的源码就象一团扎乱无章的乱麻，其实它是一个组织得有条有理的蛛网。要把整个结构分析清楚，除了找出线头，还得理顺各个部分之间的关系，有条不紊的一点一点的分析。 所谓以程序流程为线索、一线串珠，就是指根据程序的执行流程，把程序执行过程所涉及到的代码分析清楚。这种方法最典型的应用有两个：一是系统的初始化过程；二是应用程序的执行流程：从程序的装载，到运行，一直到程序的退出。 为了简便起见，遵从循序渐进的原理，现就系统的初始化过程来具体的介绍这种方法。系统的初始化流程包括：系统引导，实模式下的初始化，保护模式下的初始化共三个部分。下面将一一介绍。 ?inux系统的常见引导方式有两种：Lilo引导和Loadin引导；同时linux内核也自带了一个bootsect-loader。由于它只能实现linux的引导，不像前两个那样具有很大的灵活性（lilo可实现多重引导、loadin可在dos下引导linux）,所以在普通应用场合实际上很少使用bootsect-loader。当然，bootsect-loader也具有它自己的优点：短小没有多余的代码、附带在内核源码中、是内核源码的有机组成部分，等等。 bootsect-loader在内和源码中对应的程序是 /Arch/i386/boot/bootsect.S 。下面将主要是针对此文件进行的分析。
出于简便考虑，在此分析中，我忽略了对大内核的处理的分析，因为对大内核的处理，只是此引导过程中的一个很小的部分，并不影响对整体的把握。完成了系统的引导后，系统将进入到初始化处理阶段。系统的初始化分为实模式和保护模式两部分。 II、实模式下的初始化 实模式下的初始化,主要是指从内核引导成功后，到进入保护模式之前系统所做的一些处理。在内核源码中对应的程序是 /Arch/i386/boot/setup.S；以下部分主要是针对此文件进行的分析。这部分的分析主要是要弄懂它的处理流程和INITSEG(9000:0000)段参数表的建立，此参数表包含了很多硬件参数，这些都是以后进行保护模式下初始化，以及核心建立的基础。 1. 几个其它相关文件： <1> /Arch/i386/boot/bootsect.S <2> /include/linux/config.h <3> /include/asm/boot.h <4> /include/ asm/segment.h <5> /include/linux/version.h <6> /include/linux/compile.h 2. 实模式下的初始化过程分析： INITSEG(9000:0000)段参数表：（参见Include/linux/tty.h）
* 注： ① Include/linux/tty.h ： CL_MAGIC and CL_OFFSET here
③ 0表示没有APM BIOS ④ 0x0002置位表示支持32位模式 ⑤ 0表示没有，0x0aa表示有鼠标器 III、保护模式下的初始化 保护模式下的初始化，是指处理机进入保护模式后到运行系统第一个内核程序过程中系统所做的一些处理。保护模式下的初始化在内核源码中对应的程序是 /Arch/i386/boot/compressed/head.S 和 /Arch/i386/KERNEL/head.S ；以下部分主要是针对这两个文件进行的分析。
二、/Arch/i386/boot/compressed/head.S流程：
6．由于分页机制只能在保护模式下启动，不能在实模式下启动，所以第一步是必要的；又因为在386保护模式下gdt和idt是建立在逻辑地址(线性地址)上的，所以第三步也是必要的； 7．经过实模式和保护模式下的初始后，主要系统数据分布如下： 初始后主要系统数据分布表
从上面对Linux系统的初始化过程的分析可以看出，以程序执行流程为线索、一线串珠，就是按照程序的执行先后顺序，弄懂程序执行的各个阶段所进行的处理，及其各阶段之间的相互联系。而流程图应该是这种分析方法最合适的表达工具。 事实上，以程序执行流程为线索，是分析任何源代码都首选的方法。由于操作系统的特殊性，光用这种方法是远远不够的。当然用这种方法来分析系统的初始化过程或用户进程的执行流程应该说是很有效的。 |
