作者：喻鋒榮 Linux的最大的好處之一就是它的源碼公開。同時，公開的核心源碼也吸引著無數的電腦愛好者和程序員；他們把解讀和分析Linux的核心源碼作為自己的最大興趣，把修改Linux源碼和改造Linux系統作為自己對計算機技術追求的最大目標。 Linux內核源碼是很具吸引力的，特別是當你弄懂了一個分析了好久都沒搞懂的問題；或者是被你修改過了的內核，順利通過編譯，一切運行正常的時候。那種成就感真是油然而生！而且，對內核的分析，除了出自對技術的狂熱追求之外，這種令人生畏的勞動所帶來的回報也是非常令人著迷的，這也正是它擁有眾多追隨者的主要原因： 首先，你可以從中學到很多的計算機的底層知識，如後面將講到的系統的引導和硬件提供的中斷機制等；其它，象虛擬存儲的實現機制，多任務機制，系統保護機制等等，這些都是非都源碼不能體會的。 同時，你還將從操作系統的整體結構中，體會整體設計在軟件設計中的份量和作用，以及一些宏觀設計的方法和技巧：Linux的內核為上層應用提供一個與具體硬件不相關的平台；同時在內核內部，它又把代碼分為與體系結構和硬件相關的部分，和可移植的部分；再例如，Linux雖然不是微內核的，但他把大部分的設備驅動處理成相對獨立的內核模塊，這樣減小了內核運行的開銷，增強了內核代碼的模塊獨立性。 而且你還能從對內核源碼的分析中，體會到它在解決某個具體細節問題時，方法的巧妙：如後面將分析到了的Linux通過Botoom_half機制來加快系統對中斷的處理。 最重要的是：在源碼的分析過程中，你將會被一點一點地、潛移默化地專業化。一個專業的程序員，總是把代碼的清晰性，兼容性，可移植性放在很重要的位置。他們總是通過定義大量的宏，來增強代碼的清晰度和可讀性，而又不增加編譯後的代碼長度和代碼的運行效率；他們總是在編碼的同時，就考慮到了以後的代碼維護和升級。 甚至，只要分析百分之一的代碼後，你就會深刻地體會到，什麼樣的代碼才是一個專業的程序員寫的，什麼樣的代碼是一個業余愛好者寫的。而這一點是任何沒有真正分析過標准代碼的人都無法體會到的。 然而，由於內核代碼的冗長，和內核體系結構的龐雜，所以分析內核也是一個很艱難，很需要毅力的事；在缺乏指導和交流的情況下，尤其如此。只有方法正確，才能事半功倍。正是基於這種考慮，作者希望通過此文能給大家一些借鑒和啟迪。 由於本人所進行的分析都是基於2.2.5版本的內核；所以，如果沒有特別說明，以下分析都是基於i386單處理器的2.2.5版本的Linux內核。所有源文件均是相對於目錄/usr/src/linux的。 方法之一：從何入手 要分析Linux內核源碼，首先必須找到各個模塊的位置，也即要弄懂源碼的文件組織形式。雖然對於有經驗的高手而言，這個不是很難；但對於很多初級的Linux愛好者，和那些對源碼分析很有興趣但接觸不多的人來說，這還是很有必要的。 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（的二個數為偶數，例如2.0.30）都是一個穩定地發行的核心，而任何奇數的核心（例如2.1.42）都是一個開發中的核心。 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，即目錄/usr/src/linux下有這樣一些目錄和文件： ◆ COPYING: GPL版權申明。對具有GPL版權的源代碼改動而形成的程序，或使用GPL工具產生的程序，具有使用GPL發表的義務，如公開源代碼； ◆ CREDITS: 光榮榜。對Linux做出過很大貢獻的一些人的信息； ◆ MAINTAINERS: 維護人員列表，對當前版本的內核各部分都有誰負責； ◆ Makefile: 第一個Makefile文件。用來組織內核的各模塊，記錄了個模塊間的相互這間的聯系和依托關系，編譯時使用；仔細閱讀各子目錄下的Makefile文件對弄清各個文件這間的聯系和依托關系很有幫助； ◆ ReadMe: 核心及其編譯配置方法簡單介紹； ◆ Rules.make: 各種Makefilemake所使用的一些共同規則； ◆ REPORTING-BUGS:有關報告Bug 的一些內容； ● 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。與平台無關的頭文件在 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好的起點之一。 ● 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；每種驅動程序又各占用一個子目錄：如，/block 下為塊設備驅動程序，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，因為安裝nfs文件系統的時候需要網絡； ● Documentation/: 文檔目錄,沒有內核代碼，只是一套有用的文檔，可惜都是English的，看看應該有用的哦； ● 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； ● Ipc/: 這個目錄包含核心的進程間通訊的代碼； ● Lib/: 放置核心的庫代碼； ● Net/: 核心與網絡相關的代碼； ● Modules/: 模塊文件目錄，是個空目錄，用於存放編譯時產生的模塊目標文件； ● Scripts/: 描述文件，腳本，用於對核心的配置； 一般，在每個子目錄下，都有一個 Makefile 和一個Readme 文件，仔細閱讀這兩個文件，對內核源碼的理解很有用。 對Linux內核源碼的分析，有幾個很好的入口點：一個就是系統的引導和初始化，即從機器加電到系統核心的運行；另外一個就是系統調用，系統調用是用戶程序或操作調用核心所提供的功能的接口。對於那些對硬件比較熟悉的愛好者，從系統的引導入手進行分析，可能來的容易一些；而從系統調用下口，則可能更合適於那些在dos或Uinx、Linux下有過C編程經驗的高手。這兩點，在後面還將介紹到。 方法之二：以程序流程為線索，一線串珠 從表面上看，Linux的源碼就象一團扎亂無章的亂麻，其實它是一個組織得有條有理的蛛網。要把整個結構分析清楚，除了找出線頭，還得理順各個部分之間的關系，有條不紊的一點一點的分析。 所謂以程序流程為線索、一線串珠，就是指根據程序的執行流程，把程序執行過程所涉及到的代碼分析清楚。這種方法最典型的應用有兩個：一是系統的初始化過程；二是應用程序的執行流程：從程序的裝載，到運行，一直到程序的退出。 為了簡便起見，遵從循序漸進的原理，現就系統的初始化過程來具體的介紹這種方法。系統的初始化流程包括：系統引導，實模式下的初始化，保護模式下的初始化共三個部分。下面將一一介紹。 ?inux系統的常見引導方式有兩種：Lilo引導和Loadin引導；同時linux內核也自帶了一個bootsect-loader。由於它只能實現linux的引導，不像前兩個那樣具有很大的靈活性（lilo可實現多重引導、loadin可在dos下引導linux）,所以在普通應用場合實際上很少使用bootsect-loader。當然，bootsect-loader也具有它自己的優點：短小沒有多余的代碼、附帶在內核源碼中、是內核源碼的有機組成部分，等等。 bootsect-loader在內和源碼中對應的程序是 /Arch/i386/boot/bootsect.S 。下面將主要是針對此文件進行的分析。 幾個相關文件： <1> /Arch/i386/boot/bootsect.S <2> /include/linux/config.h <3> /include/asm/boot.h <4> /include/linux/autoconf.h 引導過程分析： 對於Intel x86 PC , 開啟電源後, 機器就會開始執行ROM BIOS的一系列系統測試動作，包括檢查RAM，keyboard，顯示器，軟硬磁盤等等。執行完bios的系統測試之後，緊接著控制權會轉移給ROM中的啟動程序(ROM bootstrap routine)；這個程序會將磁盤上的第0軌第0扇區（叫boot sector或MBR ，系統的引導程序就放在此處）讀入內存中，並放到自0x07C0:0x0000開始的512個字節處；然後處理機將跳到此處開始執行這一引導程序；也即裝入MBR中的引導程序後， CS:IP = 0x07C0:0x0000 。加電後處理機運行在與8086相兼容的實模式下。 如果要用bootsect-loader進行系統引導，則必須把bootsect.S編譯連接後對應的二進制代碼置於MBR； 當ROM BIOS 把bootsect.S編譯連接後對應的二進制代碼裝入內存後，機器的控制權就完全轉交給bootsect； 也就是說，bootsect將是第一個被讀入內存中並執行的程序。 Bootsect接管機器控制權後，將依次進行以下一些動作： 1．首先，bootsect將它"自己"(自位置0x07C0:0x0000開始的512個字節)從被ROM BIOS載入的地址0x07C0:0x0000處搬到0x9000:0000處; 這一任務由bootsect.S的前十條指令完成；第十一條指令“jmpi go,INITSEG”則把機器跳轉到“新”的bootsect的“jmpi go,INITSEG”後的那條指令“go: mov di,#0x4000-12”；之後，繼續執行bootsect的剩下的代碼；在bootsect.S中定義了幾個常量： BOOTSEG = 0x07C0 bios 載入 MBR的約定位置的段址； INITSEG = 0x9000 bootsect.S的前十條指令將自己搬到此處(段址) SETUPSEG =0x9020 裝入Setup.S的段址 SYSSEG =0x1000 系統區段址 對於這些常量可參見/include/asm/boot.h中的定義；這些常量在下面的分析中將會經常用到； 2．以0x9000:0x4000-12為棧底，建立自己的棧區；其中0x9000:0x4000-12到0x9000:0x4000的一十二個字節預留作磁盤參數表區； 3．在0x9000:0x4000-12到0x9000:0x4000的一十二個預留字節中建立新的磁盤參數表，之所以叫“新”的磁盤參數表，是相對於bios建立的磁盤參數表而言的。由於設計者考慮到有些老的bios不能准確地識別磁盤“每個磁道的扇區數”，從而導致bios建立的磁盤參數表妨礙磁盤的最高性能發揮，所以，設計者就在bios建立的磁盤參數表的基礎上通過枚舉法測試，試圖建立准確的“新”的磁盤參數表(這是在後繼步驟中完成的)；並把參數表的位置由原來的0x0000:0x0078搬到0x9000:0x4000-12；且修改老的磁盤參數表區使之指向新的磁盤參數表； 4．接下來就到了load_setup子過程；它調用0x13中斷的第2號服務；把第0道第2扇區開始的連續的setup_sects (為常量4)個扇區讀到緊鄰bootsect的內存區；，即0x9000:0x0200開始的2048個字節；而這四個扇區的內容即是/arch/i386/boot/setup.S編譯連接後對應的二進制代碼； 也就是說，如果要用bootsect-loader進行系統引導，不僅必須把bootsect.S編譯連接後對應的二進制代碼置於MBR，而且還得把setup.S編譯連接後對應的二進制代碼置於緊跟MBR後的連續的四個扇區中；當然，由於setup.S對應的可執行碼是由bootsect裝載的，所以，在我們的這個項目中可以通過修改bootsect來根據需要隨意地放置setup.S對應的可執行碼； 5．load_setup子過程的唯一出口是probe_loop子過程；該過程通過枚舉法測試磁盤“每個磁道的扇區數”; 6.接下來幾個子過程比較清晰易懂:打印我們熟悉的“Loading”；讀入系統到0x1000:0x0000; 關掉軟驅馬達；根據的5步測出的“每個磁道的扇區數”確定磁盤類型；最後跳轉到0x9000:0x0200,即setup.S對應的可執行碼的入口，將機器控制權轉交setup.S;整個bootsect代碼運行完畢； 3.引導過程執行完後的內存印象圖： 出於簡便考慮，在此分析中，我忽略了對大內核的處理的分析，因為對大內核的處理，只是此引導過程中的一個很小的部分，並不影響對整體的把握。完成了系統的引導後，系統將進入到初始化處理階段。系統的初始化分為實模式和保護模式兩部分。 II、實模式下的初始化 實模式下的初始化,主要是指從內核引導成功後，到進入保護模式之前系統所做的一些處理。在內核源碼中對應的程序是 /Arch/i386/boot/setup.S；以下部分主要是針對此文件進行的分析。這部分的分析主要是要弄懂它的處理流程和INITSEG(9000:0000)段參數表的建立，此參數表包含了很多硬件參數，這些都是以後進行保護模式下初始化，以及核心建立的基礎。 1. 幾個其它相關文件： <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. 實模式下的初始化過程分析： INITSEG(9000:0000)段參數表：（參見Include/linux/tty.h） 參數名 偏移量(段址均為0x9000) 長度Byte 參考文件 PARAM_CURSOR_POS 0x0000 2 Arch/i386/boot/video.S extended mem Size 0x0002 2 Arch/i386/boot/setup.S PARAM_VIDEO_PAGE 0x0004 2 Arch/i386/boot/video.S PARAM_VIDEO_MODE 0x0006 1 Arch/i386/boot/video.S PARAM_VIDEO_COLS 0x0007 1 Arch/i386/boot/video.S 沒用 0x0008 2 Include/linux/tty.h PARAM_VIDEO_EGA_BX 0x000a 2 Arch/i386/boot/video.S 沒用 0x000c 2 Include/linux/tty.h PARAM_VIDEO_LINES 0x000e 1 Arch/i386/boot/video.S PARAM_HAVE_VGA 0x000f 1 Arch/i386/boot/video.S PARAM_FONT_POINTS 0x0010 2 Arch/i386/boot/video.S PARAM_LFB_WIDTH 0x0012 2 Arch/i386/boot/video.S PARAM_LFB_HEIGHT 0x0014 2 Arch/i386/boot/video.S PARAM_LFB_DEPTH 0x0016 2 Arch/i386/boot/video.S PARAM_LFB_BASE 0x0018 4 Arch/i386/boot/video.S PARAM_LFB_SIZE 0x001c 4 Arch/i386/boot/video.S 暫未用① 0x0020 4 Include/linux/tty.h PARAM_LFB_LINELENGTH 0x0024 2 Arch/i386/boot/video.S PARAM_LFB_COLORS 0x0026 6 Arch/i386/boot/video.S 暫未用② 0x002c 2 Arch/i386/boot/video.S PARAM_VESAPM_SEG 0x002e 2 Arch/i386/boot/video.S PARAM_VESAPM_OFF 0x0030 2 Arch/i386/boot/video.S PARAM_LFB_PAGES 0x0032 2 Arch/i386/boot/video.S 保留 0x0034--0x003f Include/linux/tty.h APM BIOS Version③ 0x0040 2 Arch/i386/boot/setup.S BIOS code segment 0x0042 2 Arch/i386/boot/setup.S BIOS entry offset 0x0044 4 Arch/i386/boot/setup.S BIOS 16 bit code seg 0x0048 2 Arch/i386/boot/setup.S BIOS data segment 0x004a 2 Arch/i386/boot/setup.S 支持32位標志④ 0x004c 2 Arch/i386/boot/setup.S BIOS code seg length 0x004e 4 Arch/i386/boot/setup.S BIOS data seg length 0x0052 2 Arch/i386/boot/setup.S hd0 參數 0x0080 16 Arch/i386/boot/setup.S hd0 參數 0x0090 16 Arch/i386/boot/setup.S PS/2 device 標志⑤ 0x01ff 1 Arch/i386/boot/setup.S * 注： ① Include/linux/tty.h ： CL_MAGIC and CL_OFFSET here Include/linux/tty.h ： unsigned char rsvd_size; /* 0x2c */ unsigned char rsvd_pos; /* 0x2d */ ③ 0表示沒有APM BIOS ④ 0x0002置位表示支持32位模式 ⑤ 0表示沒有，0x0aa表示有鼠標器 III、保護模式下的初始化 保護模式下的初始化，是指處理機進入保護模式後到運行系統第一個內核程序過程中系統所做的一些處理。保護模式下的初始化在內核源碼中對應的程序是 /Arch/i386/boot/compressed/head.S 和 /Arch/i386/KERNEL/head.S ；以下部分主要是針對這兩個文件進行的分析。 幾個相關文件： <1.> /Arch/i386/boot/compressed/head.S <2.> /Arch/i386/KERNEL/head.S <3.> //Arch/i386/boot/compressed/MISC.c <4.> /Arch/i386/boot/setup.S <5.> /include/ asm/segment.h <6.> /arch/i386/kernel/traps.c <7.> /include/i386/desc.h <8.> /include/asm-i386/processor.h 保護模式下的初始化過程分析： 一、/Arch/i386/KERNEL/head.S流程： 二、/Arch/i386/boot/compressed/head.S流程： 從流程圖中可以看到，保護模式下的初始化主要干了這樣幾件事： 解壓內核到0x100000處、 建立頁目錄和pg0頁表並啟動分頁功能(即虛存管理功能)、 保存實模式下測到的硬件信息到empty_zero_page、初始化命令緩存區、 檢測cpu類型、檢查協處理器、 重新建立gdt全局描述符表、和中斷描述附表idt； 從頁目錄和pg0頁表可以看出，0�；4M物理內存被用作系統區，它被映射到系統段線性空間的0�；4M和3G�；3G+4M；即系統可以通過訪問這兩個段來訪問實際的0�；4M物理內存，也就是系統所在的區域； 本來在實模式下初始化時已經建立了全局描述符表gdt,而此處重新建立全局描述符表gdt則主要是出於兩個原因：一個就是若內核是大內核bzimag，則以前建立的gdt，可能已經在解壓時被覆蓋掉了所以，在這個源碼文件中均只采用相對轉移指令jxx nf或jxx nb；二是以前建立的gdt是建立在實地址方式下的，而現在則是在啟用保護虛擬地址方式之後建立的，也即現在的gdt是建立在邏輯地址（即線性地址）上的； 每次建立新的gdt後和啟用保護虛擬地址方式後都必須重新裝載系統棧和重新初始化各段寄存器:cs,ds,es,fs,gs； 從實模式下的初始化和保護模式下的初始化過程可以看出，linux系統由實模式進入到保護模式的過程大致如下： 6．由於分頁機制只能在保護模式下啟動，不能在實模式下啟動，所以第一步是必要的；又因為在386保護模式下gdt和idt是建立在邏輯地址(線性地址)上的，所以第三步也是必要的； 7．經過實模式和保護模式下的初始後，主要系統數據分布如下： 初始後主要系統數據分布表 位置 系統數據 大小 0x101000 頁目錄swapper_pg_dir 4K 0x102000 頁表pg0 4K 0x103000 empty_bad_page 4K 0x104000 empty_bad_page_table 4K 0x105000 empty_zero_page 4K 0x105000 系統硬件參數 2K 0x105800 命令緩沖區 2K 0x106000 全局描述附表gdt_table 4192B 從上面對Linux系統的初始化過程的分析可以看出，以程序執行流程為線索、一線串珠，就是按照程序的執行先後順序，弄懂程序執行的各個階段所進行的處理，及其各階段之間的相互聯系。而流程圖應該是這種分析方法最合適的表達工具。 事實上，以程序執行流程為線索，是分析任何源代碼都首選的方法。由於操作系統的特殊性，光用這種方法是遠遠不夠的。當然用這種方法來分析系統的初始化過程或用戶進程的執行流程應該說是很有效的。
