[原]UNIX内核（extra）：内核开发的特点

内核开发不是洪水猛兽。一旦你了解到其中的规则，你就会发现，跟开发应用程序一样；两者区别在于要遵守的规则集合不一样。

 

Linux是UNIX家族的一员，而且其内核源代码唾手可得，因此这里用其来作说明。

 

规则上，与应用程序（运行于用户空间）的开发不同，主要表现在：

1. 没有C库
2. 用GNU C编程（对于Linux内核而言）
3. 没有内存保护
4. 在内核中很难使用浮点数
5. 内核栈大小固定且很小
6. 由于异步中断、抢占以及支持SMP，需要额外小心同步和并发
7. 移植性问题

下面就来逐个解释。

内核没有链接任何C库。这里面涉及到很多问题，比如鸡生蛋还是蛋生鸡的问题：因为C库都会包裹一些系统调用，可是没有内核时就没有系统调用，那么……呵呵，明白了吧？另一个问题就是大小问题。任何一个C库，甚至其一个子集，对于内核来说都太大了。不过，不要着急，很多常用的库函数在内核中都有实现。

 

这里面涉及到一个著名的函数：printf()，内核提供了一个替代品：printk()。如果你要做内核开发，就会频繁使用该函数。记住：Linus本人不允许在内核中嵌入调试器（这是另外的话题，有兴趣的可以自己去google一下），因此很多情况下要依靠printk()。

 

毫无疑问，Linux的内核是用C语言写的。但所用的C并不是ANSI C，而是经过GNU扩展之后的C，这就是为什么Linux内核对于gcc编译器的依赖程度如此之高。GNU对C的扩展中就包括：内联函数（inline functions），分支预测和内联汇编（inline assembly）。分支预测用于判断哪些情况是几乎永远不可能发生的，或者哪些情况几乎永远都会发生——unlikely()和likely()。

 

当用户空间的代码访问非法地址时，内核能够捕获该错误，然后向进程发送SIGSEGV并终止进程。在UNIX世界，人们总是说kill/杀掉进程，其实，kill仅仅是用来向进程发送信号的，并不是杀掉它——太残忍了。这是题外话了，呵呵。那么，当内核代码访问非法地址时，谁来照顾内核呢？只能自己照顾自己了。非法的地址访问将导致oops，这是重大的问题，没人会告诉你访问了非法地址，但是你可以通过日志来查询/调试。

 

另外，内核内存是不分页，因此你没申请一个字节，物理内存就少掉一个字节。小心了！

 

在内核中使用浮点数非常困难，如果你想给自己找麻烦的话，可以试试。用户空间代码要使用浮点数指令时，一般来说会产生一个中断，内核捕获该中断并作相应的处理。然而，内核没法捕获自己。而且，要使用浮点指令，不但要保存浮点寄存器，还要做很多繁琐的事情——光看看内核如何为用户空间代码使用浮点数就知道了，可以参考进程调度里的上下文切换。

 

用户空间的程序可以在栈上申请大量的空间——定义足够多的局部变量，因为用户空间的栈非常大，而且可以动态增长。不过有些不够智能的系统做不到动态增长。然而，内核的栈非常小，而且无法动态增长。

 

作为一个抢占式多任务、支持对称多处理（SMP）的系统，同步和并发是任何一个内核hacker都需要时时刻刻小心的问题。调度器“兴之所至”，调度进程，这就需要同步；加上来自CPU外的各种中断导致内核需要对某些代码或数据加以保护。而抢占的意思就是，无论谁占用了CPU，都有可能被其他进程抢掉，内核也不例外。Linux对于竞态条件提供了spinlock（自旋锁）和semaphore（信号量）。

 

最后就是移植性问题。这个问题从来都不见简单，而且linux的目标是多种平台都能运行，因此移植性显得更为重要。字节序问题就是一个典型的移植性问题。然而，应用程序可能仅仅为一个平台开发。

 

看了这些，是不是觉得，其实内核开发也不难呢？

 

有雄心的hacker们，不要被OS kernel这个名词吓倒。看看Linux Kernel Development，准备好Linux内核源码，沏上一杯茶，然后你就可以开发内核了！

 

参考：

Linux Kernel Development, 2nd edition, by Robert Love

 

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