Linux Kernel入门指南—魅力内核的奇妙之旅

腾讯技术工程发表于 8月以前 | 总阅读数：284 次

踏上 Linux 内核世界的探险将成为您职业生涯的一段迷人旅程。作为操作系统之心的 Linux 内核涵盖众多领域，如操作系统原理、硬件抽象以及驱动开发等。在这篇文章中，我们将一探 Linux 内核的奥秘，并为具备编程基础的技术人员提供一处学习起点。

1. Linux 内核概述——奇妙世界的入口

作为核心组件，内核实现了操作系统的基本功能，如进程管理、内存管理、设备驱动、文件系统等。它是 GNU/Linux 操作系统的核心，确保整个系统的稳定性和性能。而开源让全球成千上万的开发者及维护者纷纷加入其行列，使得 Linux 内核得以在各式平台和设备上迅速壮大。

1.1 发行版与内核的关系：风格多样的组合拳

简言之，发行版就是各种软件包的集合，甚至于内核对于发行版来说，亦只是一个独立的内核包。发行版旨在为用户空间运行的程序提供系统资源。不同发行版之间的区别在于所选的软件包管理方式及其配置：

Ubuntu（Debian 系）和 Fedora（RHEL 系）等发行版重点强调易用性；
Arch Linux 和 Gentoo 等发行版更注重定制化与性能。

尽管许多发行版允许用户自定内核，但对于大多数用户而言，这个神秘的内核层面很少涉猎。

1.2 内核源码探索之旅

审视内核源码，在其世界中探险各种功能与子系统。为了获得最新版内核源代码，可以访问 https://kernel.org 感受内核之美。

同样，通过阅读内核源代码，可以增进对理论知识的理解，以及学会阅读和编写高品质的内核代码。

获取内核代码：

<pre data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 10px;margin-bottom: 10px;border-radius: 5px;box-shadow: rgba(0, 0, 0, 0.55) 0px 2px 10px;"><span style="display: block;background: url("https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_svg/Iic9WLWEQMg0QfpeEMUMoicHCeC0CJqHdKZZp8kzUR2O5bx91icEpgE92ZEGhWZSotodic462P4dgY5Tbl9msuRWlkICy80Uwia8m/640?wx_fmt=svg") 10px 10px / 40px no-repeat rgb(248, 248, 248);height: 30px;width: 100%;margin-bottom: -7px;border-radius: 5px;">```
git <span style="color: #0086b3;line-height: 26px;">clone https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git<br></br>



### 1.3 内核源码编译：秘诀揭开

反复琢磨内核源码，将揭开内核秘诀的神秘面纱。首先，需要完成以下几个关键步骤：

1. 配置：挑选所需内核选项和功能。可以使用菜单驱动的配置界面 `make menuconfig`或者手动编辑 `.config` 文件进行配置。

  实际上，`make menuconfig` 的方式最终也会将内核配置写入 `.config` 文件中，可以看到 config 文件中的内容就是在配置各个层级 Makefile 中依赖的编译指令。

  .config:

... CONFIG_POSIX_TIMERS=y CONFIG_PRINTK=y //以此为例 CONFIG_PRINTK_NMI=y CONFIG_BUG=y ...


Makefile(`fs/proc/Makefile`):

... proc-$(CONFIG_PROC_KCORE) += kcore.o proc-$(CONFIG_PROC_VMCORE) += vmcore.o proc-$(CONFIG_PRINTK) += kmsg.o proc-$(CONFIG_PROC_PAGE_MONITOR) += page.o proc-y += sysctl_write_forbid.o ...



2. 编译：执行 `make` 命令进行编译，此过程将生成内核映像（如：vmlinuz）以及编译完成的模块。
3. 安装模块：接下来，使用 `make modules_install` 命令安装编译完成的模块。
4. 安装内核映像：通过 `make install` 将编译好的内核映像安装到 `/boot` 目录下，并更新内核启动加载器（如：GRUB）的配置。
5. 重新启动以进入新世界：最后一步，重启系统并**选择新安装**的内核版本进行启动。

在编译过程中，可以根据需求和硬件环境自订内核。例如，可以选择启用或禁用内核中的某个功能，优化内核以适应特定的硬件配置，或者对内核进行调试。

当然，编译内核源码可能并不是一帆风顺，但它有助于深入了解内核的工作原理及相关技术。在克服挑战后，您将在内核领域的技术之路上越走越远。

P.S.在准备编译内核时，别忘了安装一些额外的依赖软件包，如 `gcc`、`make`、`libncurses-dev`（用于 `make menuconfig`）等。


## 2. 探寻 Linux 内核结构：奇幻探险

Linux 内核采用模块化设计，由一系列子系统和模块组成。就像一场探险，我们将逐一探究涉及特定功能的子系统，并了解它们在内核源代码中的关键文件路径。


### 2.1 系统调用层：内核与用户空间的桥梁

- 源码位置：`arch/x86/entry/syscalls/` (以 x86 为例)
- 关键词：`sys_call_table`, `SYSCALL_DEFINEx`
- 作用：通过系统调用接口，可以轻松地从用户空间传递参数和请求到内核空间，让内核为其提供服务。


### 2.2 文件系统：各种文件系统的大熔炉

- 源码位置：`fs/`
- 关键词：`struct file`, `struct inode`
- 作用：文件系统负责在计算机的存储设备上组织和管理文件。Linux 支持多种类型的文件系统，如 EXT4、XFS、Btrfs 等。每个文件系统都有自己的数据结构和操作方法，但它们都会注册到通用的虚拟文件系统（VFS）中，这使得用户和应用程序可以以一致的方式访问不同类型的文件系统。


### 2.3 内存管理：内存资源的管家

- 源码位置：`mm/`
- 关键词：`struct page`, `alloc_pages`, `kfree`
- 作用：内存管理子系统全权负责内存资源的分配和管理，巧妙地在虚拟内存与物理内存之间架起桥梁。


### 2.4 进程管理：调度员的日常

- 源码位置：`kernel/sched/` 和 `include/linux/sched.h`
- 关键词：`struct task_struct`, `scheduler_tick`, `wake_up_process`
- 作用：进程管理子系统如同一位勤勉的调度员，打理好进程的创建、调度、终止等一系列操作，确保整个系统在有条不紊的秩序中运行。


### 2.5 设备驱动：硬件大使馆

- 源码位置：`drivers/`
- 关键词：`struct device`, `struct device_driver`, `module_init`
- 作用：设备驱动子系统担任内核与硬件设备的外交使命，负责管理全部驱动程序，保证设备与内核的沟通顺畅。


### 2.6 网络栈：驾驭互联网之战舰

- 源码位置：`net/`
- 关键词：`struct socket`, `struct sk_buff`, `TCP`, `IP`
- 作用：网络子系统像是一艘驾驭互联网的战舰，全面管理网络通信相关功能，承担套接字、多种网络协议和路由等一切网络事务。


### 2.7 内核服务子系统：提供无微不至的服务

- 源码位置：`kernel/`
- 关键词：`workqueue`, `jiffies`, `HZ`, `hrtimer`
- 作用：内核服务子系统如同一位贴心管家，为内核提供各种服务，例如照顾定时器、处理信号等琐事。



## 3. 内核实战：驾驭神奇力量


### 3.1 核心知识储备

迈向 Linux 内核编程之路，你需要积累一定的知识底蕴，包括 C 语言编程、数据结构、计算机原理和计算机架构等。掌握这些神奇力量后，可以从以下几个方面揭开内核编程的神秘面纱：

- 熟悉 Linux 内核编程所需的 C 语言特性，例如指针操作、结构体、内存分配等。
- 了解 Linux 内核中常用的数据结构，例如链表、散列表与红黑树等，并学会如何在内核中使用这些数据结构。
- 掌握内核中常用的锁机制（例如自旋锁和互斥锁）、原子操作和内存屏障，以便正确处理并发情况和处理器缓存一致性问题。
- 学习 Linux 内核中与硬件无关的 API，例如请求中断、访问 IO、DMA 等。


### 3.2 实际加入 Linux 内核项目

参与 Linux 内核项目的过程就像融入一个充满活力的开发社区。修复 bug、提供驱动支持或添加新特性等具体工作只是社区运营的一部分。要想进入内核梦之队，提前了解其开发流程和贡献规范是必不可少的。

- 通过公开网站获取社区提交的内核 bug：[https://bugzilla.kernel.org/](/jump/aHR0cHM6Ly9idWd6aWxsYS5rZXJuZWwub3JnLw==)
- Linux 内核邮件列表（Linux Kernel Mailing List, LKML）：[lkml.org](/jump/aHR0cHM6Ly9sa21sLm9yZw==)。成为 LKML 的一员，你将与内核开发者们共同讨论内核开发的各个方面。在这里，你可以提交补丁（patch），请求代码审查（code review），讨论架构设计，了解内核开发的最新动态。
- 补丁往来与代码审查：当你在内核上开发新功能或修复 bug 后，需要提交一个补丁到 LKML，相关的维护者会对你的补丁进行审查。在审查过程中，你的代码可能会得到反馈和建议，甚至可能需要几轮迭代才能达到内核的标准。在社区的积极参与和讨论中，你将收获大量知识和经验，有助于你在内核领域的成长。

通过参与内核项目，你将更深入地了解内核的工作原理和开发过程。同时，还能结识到众多热衷于 Linux 内核的开发者和专家，与他们共同成长。在这个过程中，你将收获宝贵的经验，为今后在 Linux 内核领域取得成功奠定坚实基础。


## 4. 资源宝库

要学会驾驭神奇的内核力量，丰富的学习资源是关键。以下精选资源助你迅速掌握内核的奥秘：

- Linux 内核源代码：**想要深入了解内核的奥秘？首选最新版内核源代码！**阅读内核源代码能够加深对理论知识的理解，同时学习如何阅读和编写高品质的内核代码。
- 内核相关书籍：
- 《Linux 内核设计与实现》（Robert Love）
- 《深入理解 Linux 内核》（Daniel P. Bovet & Marco Cesati）
- 《Linux 设备驱动程序开发》（Jonathan Corbet、Alessandro Rubini、Greg Kroah-Hartman）
- 《Linux 设备驱动开发详解：基于的 Linux 4.0 内核》（宋宝华）
- 《奔跑吧 Linux 内核》(张天飞)

- Kernel Newbies 社区：[kernelnewbies.org](/jump/aHR0cHM6Ly9rZXJuZWxuZXdiaWVzLm9yZw==)。该社区为你提供针对初学者的内核开发资源、教程和项目，帮助你在内核开发道路上取得理想成果。友好的机制非常适合新手参与。

驾驭魔法般的 Linux 内核技能需要一个漫长的过程。在这片信息海洋汹涌澎湃的时代，探索之路永无止境。随着你对内核的理解和实践不断加深，眼前的奇妙世界将变得更加绚丽多彩。充满信心地扬帆起航吧，这片浩瀚的 Linux 内核大海将由你来驾驭。