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Linux内核解读入门.doc

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上传者: 自语的骆驼 2011-06-27 评分1 评论0 下载7 收藏0 阅读量133 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《Linux内核解读入门doc》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含Linux内核解读入门(申精)针对好多Linux爱好者对内核很有兴趣却无从下口本文旨在介绍一种解读linux内核源码的入门方法而不是解说linux复符等。

Linux内核解读入门(申精)针对好多Linux爱好者对内核很有兴趣却无从下口本文旨在介绍一种解读linux内核源码的入门方法而不是解说linux复杂的内核机制(参考资料来源:飞凌http:wwwwitechcomcn)一.核心源程序的文件组织:.Linux核心源程序通常都安装在usrsrclinux下而且它有一个非常简单的编号约定:任何偶数的核心(例如)都是一个稳定地发行的核心而任何奇数的核心(例如)都是一个开发中的核心。本文基于稳定的源代码第二部分的实现平台为RedhatLinux。.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你会看到这样一些目录: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i就是关于intelcpu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includelinux子目录下与intelcpu相关的头文件在includeasmi子目录下,而includescsi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mainc和Versionc这是研究核心如何工作的一个非常好的起点。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archimmFaultcKernel: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schedc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(idec)。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driversblockgenhdc中的devicesetup()。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其他:如,Lib放置核心的库代码Net,核心与网络相关的代码Ipc,这个目录包含核心的进程间通讯的代码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extscripts,此目录包含用于配置核心的脚本文件等。一般在每个目录下都有一个depend文件和一个Makefile文件这两个文件都是编译时使用的辅助文件仔细阅读这两个文件对弄清各个文件这间的联系和依托关系很有帮助而且在有的目录下还有Readme文件它是对该目录下的文件的一些说明同样有利于我们对内核源码的理解  二.解读实战:为你的内核增加一个系统调用虽然Linux的内核源码用树形结构组织得非常合理、科学把功能相关联的文件都放在同一个子目录下这样使得程序更具可读性。然而Linux的内核源码实在是太大而且非常复杂即便采用了很合理的文件组织方法在不同目录下的文件之间还是有很多的关联分析核心的一部分代码通常会要查看其它的几个相关的文件而且可能这些文件还不在同一个子目录下。体系的庞大复杂和文件之间关联的错综复杂可能就是很多人对其望而生畏的主要原因。当然这种令人生畏的劳动所带来的回报也是非常令人着迷的:你不仅可以从中学到很多的计算机的底层的知识(如下面将讲到的系统的引导)体会到整个操作系统体系结构的精妙和在解决某个具体细节问题时算法的巧妙而且更重要的是:在源码的分析过程中你就会被一点一点地、潜移默化地专业化甚至只要分析十分之一的代码后你就会深刻地体会到什么样的代码才是一个专业的程序员写的什么样的代码是一个业余爱好者写的。为了使读者能更好的体会到这一特点下面举了一个具体的内核分析实例希望能通过这个实例使读者对Linux的内核的组织有些具体的认识从中读者也可以学到一些对内核的分析方法。以下即为分析实例:【一】操作平台:硬件:cpuintelPentiumII软件:RedhatLinux内核版本【二】相关内核源代码分析:.系统的引导和初始化:Linux系统的引导有好几种方式:常见的有Lilo,Loadin引导和Linux的自举引导(bootsectloader),而后者所对应源程序为archibootbootsectS它为实模式的汇编程序限于篇幅在此不做分析无论是哪种引导方式最后都要跳转到archiKernelsetupSsetupS主要是进行时模式下的初始化为系统进入保护模式做准备此后系统执行archikernelheadS(对经压缩后存放的内核要先执行archibootcompressedheadS)headS中定义的一段汇编程序setupidt它负责建立一张项的idt表(InterruptDescriptorTable),此表保存着所有自陷和中断的入口地址其中包括系统调用总控程序systemcall的入口地址当然除此之外headS还要做一些其他的初始化工作.系统初始化后运行的第一个内核程序asmlinkagevoidinitstartkernel(void)定义在usrsrclinuxinitmainc中,它通过调用usrsrclinuxarchikerneltrapsc中的一个函数voidinittrapinit(void)把各自陷和中断服务程序的入口地址设置到idt表中,其中系统调用总控程序systemcal就是中断服务程序之一voidinittrapinit(void)函数则通过调用一个宏setsystemgate(SYSCALLVECTOR,systemcall)把系统调用总控程序的入口挂在中断x上其中SYSCALLVECTOR是定义在usrsrclinuxarchikernelirqh中的一个常量x而systemcall即为中断总控程序的入口地址中断总控程序用汇编语言定义在usrsrclinuxarchikernelentryS中中断总控程序主要负责保存处理机执行系统调用前的状态,检验当前调用是否合法,并根据系统调用向量使处理机跳转到保存在syscalltable表中的相应系统服务例程的入口从系统服务例程返回后恢复处理机状态退回用户程序而系统调用向量则定义在usrsrclinuxincludeasmunistdh中syscalltable表定义在usrsrclinuxarchikernelentryS中同时在usrsrclinuxincludeasmunistdh中也定义了系统调用的用户编程接口由此可见,linux的系统调用也象dos系统的inth中断服务,它把x中断作为总的入口,然后转到保存在syscalltable表中的各种中断服务例程的入口地址,形成各种不同的中断服务由以上源代码分析可知,要增加一个系统调用就必须在syscalltable表中增加一项,并在其中保存好自己的系统服务例程的入口地址,然后重新编译内核当然系统服务例程是必不可少的。由此可知在此版linux内核源程序中,与系统调用相关的源程序文件就包括以下这些:.archibootbootsectS.archiKernelsetupS.archibootcompressedheadS.archikernelheadS.initmainc.archikerneltrapsc.archikernelentryS.archikernelirqh.includeasmunistdh当然这只是涉及到的几个主要文件。而事实上增加系统调用真正要修改文件只有includeasmunistdh和archikernelentryS两个【三】对内核源码的修改:在kernelsysc中增加系统服务例程如下:asmlinkageintsysaddtotal(intnumdata){inti=,enddata=while(i<=numdata)enddata=ireturnenddata}该函数有一个int型入口参数numdata,并返回从到numdata的累加值当然也可以把系统服务例程放在一个自己定义的文件或其他文件中只是要在相应文件中作必要的说明把asmlinkageintsysaddtotal(int)的入口地址加到syscalltable表中:archikernelentryS中的最后几行源代码修改前为:longSYMBOLNAME(syssendfile)longSYMBOLNAME(sysnisyscall)*streams*longSYMBOLNAME(sysnisyscall)*streams*longSYMBOLNAME(sysvfork)**reptNRsyscallslongSYMBOLNAME(sysnisyscall)endr修改后为:longSYMBOLNAME(syssendfile)longSYMBOLNAME(sysnisyscall)*streams*longSYMBOLNAME(sysnisyscall)*streams*longSYMBOLNAME(sysvfork)***addbyI*longSYMBOLNAME(sysaddtotal)reptNRsyscallslongSYMBOLNAME(sysnisyscall)endr把增加的syscalltable表项所对应的向量,在includeasmunistdh中进行必要申明,以供用户进程和其他系统进程查询或调用:增加后的部分usrsrclinuxincludeasmunistdh文件如下:#defineNRsendfile#defineNRgetpmsg#defineNRputpmsg#defineNRvfork*addbyI*#defineNRaddtotal测试程序(testc)如下:#include#includesyscall(int,addtotal,int,num)main(){inti,j  doprintf("Pleaseinputanumbern")while(scanf("d",i)==EOF)if((j=addtotal(i))==)printf("Erroroccurredinsyscalladdtotal()n")printf("Totalfromtodisdn",i,j)}对修改后的新的内核进行编译并引导它作为新的操作系统运行几个程序后可以发现一切正常在新的系统下对测试程序进行编译(*注:由于原内核并未提供此系统调用所以只有在编译后的新内核下此测试程序才能可能被编译通过)运行情况如下:$gccotesttestc$testPleaseinputanumberTotalfromtois可见修改成功而且对相关源码的进一步分析可知在此版本的内核中,从usrsrclinuxarchikernelentryS文件中对syscalltable表的设置可以看出,有好几个系统调用的服务例程都是定义在usrsrclinuxkernelsysc中的同一个函数:asmlinkageintsysnisyscall(void){returnENOSYS}例如第项和第项就是如此:longSYMBOLNAME(syssendfile)longSYMBOLNAME(sysnisyscall)*streams*longSYMBOLNAME(sysnisyscall)*streams*longSYMBOLNAME(sysvfork)**而这两项在文件usrsrclinuxincludeasmunistdh中却申明如下:#defineNRsendfile#defineNRgetpmsg*somepeopleactuallywantstreams*#defineNRputpmsg*somepeopleactuallywantstreams*#defineNRvfork由此可见,在此版本的内核源代码中,由于asmlinkageintsysnisyscall(void)函数并不进行任何操作,所以包括getpmsg,putpmsg在内的好几个系统调用都是不进行任何操作的即有待扩充的空调用但它们却仍然占用着syscalltable表项估计这是设计者们为了方便扩充系统调用而安排的所以只需增加相应服务例程(如增加服务例程getmsg或putpmsg)就可以达到增加系统调用的作用。结语:当然对于庞大复杂的linux内核而言一篇文章远远不够而且与系统调用相关的代码也只是内核中极其微小的一部分但重要的是方法、掌握好的分析方法所以上的分析只是起个引导的作用而正真的分析还有待于读者自己的努力。

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