Linux 內核解讀入門
針對好多Linux 愛好者對內核很有興趣卻無從下手，本文旨在介紹一種解讀Linux內核源 碼的入門方法，而不是解說Linux複雜的內核機制。
1．核心源程序的文件組織
（1）Linux核心源程序通常都安裝在/usr/src/Linux下，而且它有一個非常簡單的編號 約定：任何偶數的核心（例如2.0.30）都是一個穩定的發行的核心，而任何奇數的核心 （例如2.1.42）都是一個開發中的核心。
本文基於穩定的2.2.5源代碼，第二部分的實現平臺爲 RedHat Linux 6.0。
（2）核心源程序的文件按樹形結構進行組織，在源程序樹的最上層你會看到這樣一些目 錄：
● Arch ：arch子目錄包括了所有和體系結構相關的核心代碼。它的每一個子目錄都代 表一種支持的體系結構，例如i386就是關於intel cpu及與之相兼容體系結構的子目錄。
PC機一般都基於此目錄；
● Include: include子目錄包括編譯核心所需要的大部分頭文件。與平臺無關的頭文件 在 include/linux子目錄下，與 intel cpu相關的頭文件在include/asm-i386子目錄下 而include/scsi目錄則是有關scsi設備的頭文件目錄；
● Init： 這個目錄包含核心的初始化代碼(注：不是系統的引導代碼)，包含兩個文件 main.c和Version.c，這是研究核心如何工作的一個非常好的起點；
● Mm ：這個目錄包括所有獨立於 cpu 體系結構的內存管理代碼，如頁式存儲管理內存 的分配和釋放等，而和體系結構相關的內存管理代碼則位於arch/*/mm/，例如arch/i386/mm/Fault.c；
● Kernel：主要的核心代碼，此目錄下的文件實現了大多數Linux系統的內核函數，其 中最重要的文件當屬sched.c，同樣，和體系結構相關的代碼在arch/*/kernel中；
● Drivers：放置系統所有的設備驅動程序;每種驅動程序又各佔用一個子目錄，如/block下爲塊設備驅動程序，比如ide（ide.c）。如果你希望查看所有可能包含文件系統的 設備是如何初始化的，你可以看drivers/block/genhd.c中的device_setup()。它不僅初 始化硬盤，也初始化網絡，因爲安裝nfs文件系統的時候需要網絡。其他如Lib放置核心的庫代碼； Net,核心與網絡相關的代碼；Ipc,這個目錄包含核心的 進程間通信的代碼；Fs ,所有的文件系統代碼和各種類型的文件操作代碼，它的每一個 子目錄支持一個文件系統，例如fat和ext2; Scripts, 此目錄包含用於配置核心的腳本 文件等。 一般在每個目錄下都有一個 .depend 文件和一個 Makefile 文件，這兩個文件都是編譯 時使用的輔助文件，仔細閱讀這兩個文件對弄清各個文件之間的聯繫和依託關係很有幫 助，而且在有的目錄下還有Readme 文件，它是對該目錄下的文件的一些說明，同樣有利於我們對內核源碼的理解。
2．解讀實戰：爲你的內核增加一個系統調用
雖然Linux 的內核源碼用樹形結構組織得非常合理、科學，把功能相關聯的文件都放在 同一個子目錄下，這樣使得程序更具可讀性。然而，Linux 的內核源碼實在是太大而且 非常複雜，即便採用了很合理的文件組織方法，在不同目錄下的文件之間還是有很多的關聯，分析核心的一部分代碼通常要查看其他的幾個相關的文件，而且可能這些文件還 不在同一個子目錄下。體系的龐大複雜和文件之間關聯的錯綜複雜，可能就是很多人對其望而生畏的主要原因 。當然，這種令人生畏的勞動所帶來的回報也是非常令人着迷的：你不僅可以從中學到 很多的計算機的底層的知識（如下面將講到的系統的引導），體會到整個操作系統體系 結構的精妙和在解決某個具體細節問題時算法的巧妙，而且更重要的是在源碼的分析過 程中，你就會被一點一點地、潛移默化地專業化；甚至，只要分析1/10的代碼後，你就 會深刻地體會到，什麼樣的代碼纔是一個專業的程序員寫的，什麼樣的代碼是一個業餘愛好者寫的。 爲了使讀者能更好的體會到這一特點，下面舉了一個具體的內核分析實例，希望能通過 這個實例，使讀者對 Linux 的內核組織有些具體的認識，讀者從中也可以學到一些對內 核的分析方法。
以下即爲分析實例：
（1）操作平臺
硬件：cpu intel Pentium II ;
軟件：Redhat Linux 6.0; 內核版本2.2.5
（2）相關內核源代碼分析
① 系統的引導和初始化：Linux 系統的引導有好幾種方式，常見的有 Lilo、Loadin引導和Linux的自舉引導（bootsect-loader）,而後者所對應源程序爲arch/i386/boot/bo otsect.S，它爲實模式的彙編程序，限於篇幅在此不做分析。無論是哪種引導方式，最後都要跳轉到arch/i386/Kernel/setup.S。 setup.S主要是進行時模式下的初始化，爲系統進入保護模式做準備。此後，系統執行 arch/i386/kernel/head.S (對經壓縮後存放的內核要先執行 arch/i386/boot/compressed/head.S)； head.S 中定義的一段彙編 程序setup_idt ，它負責建立一張256項的 idt表(Interrupt Descriptor Table),此表 保存着所有自陷和中斷的入口地址，其中包括系統調用總控程序 system_call 的入口地 址。當然，除此之外，head.S還要做一些其他的初始化工作。
② 系統初始化後運行的第一個內核程序asmlinkage void __init start_kernel(void)
定義在/usr/src/linux/init/main.c中,它通過調用usr/src/linux/arch/i386/kernel /traps.c 中的一個函數 void __init trap_init(void) 把各自陷和中斷服務程序的入口地址設置到 idt 表中,其中系統調用總控程序 system_cal就是中斷服務程序之一;void __init trap_init(void)函數則通過調用一個宏set_system_gate(SYSCALL_VECTOR
,&system_call)， 把系統調用總控程序的入口掛在中斷0x80上。
其中SYSCALL_VECTOR是定義在 /usr/src/linux/arch/i386/kernel/irq.h中的一個常量 0x80.而 system_call 即爲中斷總控程序的入口地址，中斷總控程序用匯編語言定義在/usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S中。
③ 中斷總控程序主要負責保存處理機執行系統調用前的狀態,檢驗當前調用是否合法,並根據系統調用向量，使處理機跳轉到保存在 sys_call_table表中的相應系統服務例程的入口， 從系統服務例程返回後恢復處理機狀態退回用戶程序。
而系統調用向量則定義在/usr/src/linux/include/asm-386/unistd.h 中，sys_call_t ble 表定義在 /usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S中， 同時在 /usr/src/linux/include/asm-386/unistd.h 中也定義了系統調用的用戶編程接口。
④ 由此可見 ,Linux 的系統調用也像 dos 系統的 int 21h 中斷服務, 它把0x80 中斷作爲總的入口, 然後轉到保存在 sys_call_table 表中的各種中斷服務例程的入口地址, 形成各種不同的中斷服務。由以上源代碼分析可知,要增加一個系統調用就必須在 sys_call_table 表中增加一項,並在其中保存好自己的系統服務例程的入口地址,然後重新編譯內核，當然，系統服務例程是必不可少的。
由此可知，在此版Linux內核源程序<2.2.5>中,與系統調用相關的源程序文件就包括以下這些:
* arch/i386/boot/bootsect.S
* arch/i386/Kernel/setup.S
* arch/i386/boot/compressed/head.S
* arch/i386/kernel/head.S
* nit/main.c
* rch/i386/kernel/traps.c
* rch/i386/kernel/entry.S
* rch/i386/kernel/irq.h
* nclude/asm-386/unistd.h
當然，這只是涉及到的幾個主要文件。而事實上，增加系統調用真正要修改的文件只有include/asm-386/unistd.h 和arch/i386/kernel/entry.S兩個。
（3）源碼的修改
① kernel/sys.c中增加系統服務例程如下：
asmlinkage int sys_addtotal(int numdata)
{
int i=0,enddata=0;
while(i<=numdata)
enddata+=i++;
return enddata;
}
該函數有一個 int 型入口參數 numdata , 並返回從 0 到 numdata 的累加值，然而也 可以把系統服務例程放在一個自己定義的文件或其他文件中，只是要在相應文件中作必要的說明。
②把smlinkage int sys_addtotal( int) 的入口地址加到sys_call_table表中。
arch/i386/kernel/entry.S 中的最後幾行源代碼修改前爲:
... ...
.long SYMBOL_NAME(sys_sendfile)
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams1 */
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams2 */
.long SYMBOL_NAME(sys_vfork) /* 190 */
.rept NR_syscalls-190
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)
.endr
修改後爲: ... ...
.long SYMBOL_NAME(sys_sendfile)
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams1 */
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams2 */
.long SYMBOL_NAME(sys_vfork) /* 190 */
/* add by I */
.long SYMBOL_NAME(sys_addtotal)
.rept NR_syscalls-191
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)
.endr
③把增加的 sys_call_table 表項所對應的向量,在include/asm-386/unistd.h 中進行
必要申明,以供用戶進程和其他系統進程查詢或調用。
增加後的部分 /usr/src/linux/include/asm-386/unistd.h 文件如下:
... ...
#define __NR_sendfile 187
#define __NR_getpmsg 188
#define __NR_putpmsg 189
#define __NR_vfork 190
/* add by I */
#define __NR_addtotal 191
④ 測試程序(test.c)如下:
#include<linux/unistd.h>
#include<stdio.h>
_syscall1(int,addtotal,int, num)
main()
{
int i,j;
do
printf("Please input a number ");
while(scanf("%d",&i)==EOF);
if((j=addtotal(i))==-1)
printf("Error occurred in syscall-addtotal(); ");
printf("Total from 0 to %d is %d ",i,j);
}
對修改後的新的內核進行編譯，並引導它作爲新的操作系統，運行幾個程序後可以發現一切正常；在新的系統下對測試程序進行編譯(注：由於原內核並未提供此係統調用，所以只有在編譯後的新內核下，此測試程序纔可能被編譯通過)，運行情況如下：
$gcc 杘 test test.c
$./test
Please input a number
36
Total from 0 to 36 is 666
可見，修改成功，而且對相關源碼的進一步分析可知，在此版本的內核中,從/usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S 文件中對 sys_call_table表的設置可以看出,有好幾個系統調用的服務例程都是定義在 /usr/src/linux/kernel/sys.c 中的同一個函數：
asmlinkage int sys_ni_syscall(void)
{
return -ENOSYS;
}
例如第188項和第189項就是如此:
... ...
.long SYMBOL_NAME(sys_sendfile)
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams1 */
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams2 */
.long SYMBOL_NAME(sys_vfork) /* 190 */
... ...
而這兩項在文件 /usr/src/linux/include/asm-386/unistd.h 中卻申明如下:
... ...
#define __NR_sendfile 187
#define __NR_getpmsg 188 /* some people actually want streams */
#define __NR_putpmsg 189 /* some people actually want streams */
#define __NR_vfork 190
由此可見,在此版本的內核源代碼中,由於asmlinkage int sys_ni_syscall(void) 函數
並不進行任何操作,所以包括 getpmsg, putpmsg 在內的好幾個系統調用都是不進行任何操作的，即有待擴充的空調用； 但它們卻仍然佔用着sys_call_table表項，估計這是設計者們爲了方便擴充系統調用而安排的，所以只需增加相應服務例程（如增加服務例程getmsg或putpmsg），就可以達到增加系統調用的作用。
3．結束語
當然對於龐大複雜的 Linux而言，一篇文章遠遠不夠，而且與系統調用相關的代碼也只 是內核中極其微小的一部分,重要的是方法,掌握好的分析方法，所以上述分析只是起個引導作用，而真正的分析還有待讀者自己的努力。Linux 內核解讀入門針對好多Linux 愛好者對內核很有興趣卻無從下手，本文旨在介紹一種解讀Linux內核源碼的入門方法，而不是解說Linux複雜的內核機制。