深入解析 Linux 内核源码，探索操作系统本质

一、内核源码之我见

Linux内核代码的庞大令不少人“望而生畏”，也正由于这般，促使人们对Linux的了解仅处于泛泛的层次。假如想透析Linux，深入操作系统的本质，阅读内核源码是最有效的途径。我们都晓得，想成为优秀的程序员linux内核源码剖析，须要大量的实践和代码的编撰。编程尚且重要，而且常常只编程的人很容易把自己局限在自己的知识领域内。假如要扩充自己知识的广度，我们须要多接触其他人编撰的代码，尤其是水平比我们更高的人编撰的代码。通过这些途径，我们可以跳出自己知识圈的禁锢，步入别人的知识圈，了解更多甚至我们通常短期内难以了解到的信息。Linux内核由无数开源社区的“大神们”精心维护，那些人都可以称得上一顶一的代码高人。透过阅读Linux内核代码的形式，我们学习到的不光是内核相关的知识，在我看来更具价值的是学习和感受它们的编程方法以及对计算机的理解。

我也是通过一个项目接触了Linux内核源码的剖析，从源码的剖析工作中，我获益颇丰。不仅获取相关的内核知识外，也改变了我对内核代码的过往认知：

1．内核源码的剖析并非“高不可攀”。内核源码剖析的难度不在于源码本身，而在于怎样使用更合适的剖析代码的形式和手段。内核的庞大导致我们不能根据剖析通常的demo程序那样从主函数开始按部就班的剖析，我们须要一种从中间介入的手段对内核源码“各个击破”。这些“按需索要”的形式促使我们可以掌握源码的主线，而非过度郁闷于具体的细节。

2．内核的设计是优美的。内核的地位的特殊性决定着内核的执行效率必须足够高才可以响应目前计算机应用的实时性要求，因此Linux内核使用C语言和汇编的混和编程。并且我们都晓得软件执行效率和软件的可维护性好多情况下是背道而驰的。怎样在保证内核高效的前提下提升内核的可维护性，这须要依赖于内核中这些“优美”的设计。

3．神奇的编程方法。在通常的应用软件设计领域，编码的地位可能不被过度的注重，由于开发者更重视软件的良好设计，而编码仅仅是实现手段问题——就像拿斧头劈柴一样，不用太多的思索。并且这在内核中并不创立，好的编码设计带来的不光是可维护性的提升，甚至是代码性能的提高。

每位人对内核的了理解就会有所不同，随着我们对内核理解的不断加深，对其设计和实现的思想会有更多的思索和感受。因而本文更期望于引导更多徘徊在Linux内核房门之外的人步入Linux的世界，去亲自感受内核的神奇与伟大。而我也并非内核源码方面的专家，那么做也只是希望分享我自己的剖析源码的经验和心得，为这些须要的人提供参考和帮助，说的“冠冕堂皇”一点，也算是为计算机这个行业，尤其是在操作系统内核方面贡献自己的一份绵薄之力。闲谈少叙（早已罗嗦了好多了，囧~），下边我就来分享一下自己的Linix内核源码剖析方式。

二、内核源码难不难？

从本质上讲，剖析Linux内核代码和看他人的代码没有哪些两样，由于摆在你面前的通常都不是你自己写下来的代码。我们先举一个简单的事例，一个陌生人随意给你一个程序，并要你看完源码后讲解一下程序的功能的设计，我想好多自我觉得编程能力还可以的人肯定认为这没哪些，只要我耐心的把他的代码从头到尾看完，肯定能找到答案，但是事实确实是这么。这么如今换一个假定，假如这个人是Linus，给你的就是Linux内核的一个模块的代码，你就会认为仍然这么轻松吗？不少人可能会有所迟疑。同样是陌生人（Linus要是认识你的话其实不算，呵呵~）给你的代码，为何给我们的觉得大相径庭呢？我认为有以下缘由：

1．Linux内核代码在“外界”看来多少有些神秘感，但是它很庞大，旋即摆在面前可能觉得难以下手。例如可能来始于一个很细小的诱因——找不到main函数。对于简单的demo程序，我们可以从头至尾的剖析代码的涵义，并且剖析内核代码这招就彻底失效了，由于没有人能把Linux代码从头到尾看上一遍（由于确实没有必要，用到时看就可以了）。

2．不少人也接触过小型软件的代码，但多数属于应用型项目，代码的方式和含意都和自己常接触的业务逻辑相关。而内核代码不同，它处理的信息多数和计算机底层密切相关。例如操作系统、编译器、汇编、体系结构等相关的知识的缺乏，也会让阅读内核代码障碍重重。

3．剖析内核代码的方式不够合理。面对大量的而且复杂的内核代码，假若不从全局的角度入手linux mint，很容易深陷代码细节的泥沼中。内核代码毕竟庞大，而且它也有它的设计原则和构架，否则维护它对任何人来说都是一个恶梦！假如我们理清代码模块的整体设计思路，再去剖析代码的实现，可能剖析源码就是一件轻松快乐的事情了。

针对那些问题，我个人是这样理解的。假如没有接触过小型软件项目，可能剖析Linux内核代码是一个挺好的积累小型项目经验的机会（确实，Linux代码是我目前接触到的最大的项目了！）。假如你对计算机底层了解的不够透彻，这么我们可以选择边剖析边学习的方法去积累底层的知识。可能刚开始剖析代码的进度会稍显迟钝，然而随着知识的不断积累，我们对Linux内核的“业务逻辑”会渐渐明朗上去。最后一点，怎样从全局的角度掌握剖析的源码，这也是我想与你们分享的经验。

三、内核源码剖析方式

第一步：资料收集

从人认识新事物的角度来讲，在探求事物本质之前，必须有一个了解新鲜事物的过程，这个过程是的我们对新鲜事物形成一个初步的概念。例如我们想学习吉他，这么我们须要先了解演奏吉他须要我们学习基本的视唱、简谱、五线谱等基础知识，然后学习二胡演奏的方法和指法，最后才会真正的开始练习吉他。

剖析内核代码也是这么，首先我们须要定位要剖析的代码涉及的内容。是进程同步和调度的代码，是显存管理的代码，还是设备管理的代码，还是系统启动的代码等等。内核的庞大决定着我们不能一次性将内核代码全部剖析完成，因而我们须要给自己一个合理的分工。正如算法设计告诉我们的，要解决一个大问题，首先要解决它所涉及的子问题。

定位好要剖析的代码范围linux内存管理，我们就可以动用手头的一切资源，尽可能的全面了解该部份代码的整体结构和大致功能。

这儿所说的一切资源是指无论是Baidu、Google小型网路搜索引擎，还是操作系统原理教材和专业书籍，亦或是别人提供的经验和资料，甚至是Linux源码提供的文档、注释和源码标示符的名称（不要小看代码中的标示符的命名，有时它们能提供关键的信息）。其实这儿的一切资源指的就是你能想到的一切可用资源。其实，我们不太可能通过这些方式的信息收集获得所有的我们想要的信息，我们但求尽可能全面即可。由于信息收集的越全面，然后剖析代码的过程能使用的信息就更多，剖析过程的困难都会越小。

这儿举一个简单的反例，假设我们要剖析Linux的变频机制实现的代码。目前为止我们仅仅是晓得这个名词而已，透过字面含意我们可以大致推测它应当和CPU的频度调节相关。通过信息收集，我们应当能得到如下的相关的信息：

1．CPUFreq机制。

2．performance、powersave、userspace、ondemand、conservative调频策略。

3．/driver/cpufreq/。

4．/documention/cpufreq。

5．Pstate和Cstate。

……

剖析Linux内核代码假如能收集到这种信息，应当说是十分“幸运”了。虽然有关Linux内核的资料确实不如.NET和JQuery这么丰富，不过这相比于十数年前，没有强悍的搜索引擎，没有相关的研究资料的时期应当称得上是“大丰收”时代了！我们通过简单的“搜索”（可能会耗费一到七天的时间吧），甚至找到了这部份代码所在的源码文件目录，不得不说这样的信息简直是“价值连城”！

第二步：源码定位

从资料收集中，我们“有幸”找到了源码相关的源码目录。并且这并非意味着我们的确就是剖析这个目录下的源代码。有时我们找到的目录有可能是分散的，也有时我们找到的目录下有好多和具体机器相关的代码，而我们更关心的是待剖析代码的主要机制，而非与机器相关的特化代码（这样更有助于我们理解内核的本质）。为此，我们须要对资料中涉及代码文件的资料进行仔细甄选。其实，这一步也不太可能一次性完成，谁也不能保证一次能够选择出所有待剖析的源码文件并且一个不漏。并且我们也毋须害怕，只要我们能抓牢大多数模块相关的核心源文件，通过后期对代码的具体剖析，就很自然的把它们全部找下来。

回到上述的事例中，我们认真的阅读/documention/cpufreq下的文档说明。目前的Linux源码会把模块相关的文档说明保存在源码目录的documention的文件夹下，假若待剖析的模块没有文档说明，这多少会降低定位关键源码文件的难度，并且不会引起我们找不到我们要剖析的源码。通过阅读文档说明，我们起码能关注到/driver/cpufreq/cpufreq.c这个源文件。通过这个对源文件的文档说明，结合之前搜罗到的调频策略，我们很容易关注到cpufreq_performance.c、cpufreq_powersave.c、cpufreq_userspace.c、cpufreq_ondemand、cpufreq_conservative.c这五个源文件。所有涉及的文件都找完了吗？不用害怕，从它们开始剖析，迟早能找到其他的源文件。假如在windows下使用sourceinsight阅读内核源码的话，我们通过函数的调用和查找符号引用等功能，结合代码的剖析可以很便捷的找到另外的文件freq_table.c、cpufreq_stats.c和/include/linux/cpufreq.h。

根据搜索出的信息流动方向，我们完全可以定位到须要剖析的源码文件。源码定位这一步并非非常关键，由于我们不须要找出所有源码文件，我们可以把部份工作延后到剖析代码的过程中。源码定位也比较关键，找到一部份源码文件是剖析源码的基础。

第三步：简单注释

在已定位好的源码文件中，剖析每位变量、宏、函数、结构体等代码元素的大致涵义和功能。之所以称此为简单注释，并非指这部份的注释工作很简单，而是指这部份的注释可以毋须过于细化，只要大致描述出相关代码元素的涵义即可。相反，这儿的工作虽然是整个剖析流程中最困难的一步。由于这是第一次深入到内核代码的内部，尤其是对于首次剖析内核源码的人来说，大量的生疏GNU的C句型和铺天盖地的宏定义会令人很绝望。此时只要沉下心来，弄清每位关键的难点，能够保证之后遇到类似的难点不会再被逼退。并且，我们对内核相关的其他知识会不断的像树一样扩充开来。

例如在cpufreq.c文件开始都会出现“DEFINE_PER_CPU”宏的使用，我们通过查阅资料可以基本弄清这个宏的涵义和功能。这儿使用的手段和之前收集资料使用的方式基本一致，另外我们也可以使用sourceinsight提供的转入定义等功能查看它的定义，或则使用LKML（LinuxKernelMailList）查阅，实在不行我们还可以到提问寻求解答（想了解哪些是LKML和stackoverflow？收集资料吧！）。其实借助所有可能的手段，我们总能得到这个宏的涵义——为每位CPU定义一个独立使用的变量。

我们也不要强求一次能够把注释描述的很确切（我们甚至都没必要弄清每位函数的具体实现流程，只要弄清大致功能涵义即可），我们结合收集到的资料和上面代码的剖析不断的建立注释的涵义（源码中原有的注释和标示符命名在此很有借助价值）。通过不断的注释，不断的查阅资料，不断的更改注释的含意。

当我们把所有涉及的源码文件简单注释完毕后我们可以达到如下疗效：

1．基本弄清了源码中代码元素存在的含意。

2．找出了该模块所涉及的基本上全部的关键源码文件。

结合之前收集到的信息和资料对该待剖析代码的整体或则构架描述，我们可以将剖析的结果和资料对比，以确定和修正我们对代码的理解。这样，通过一遍的简单注释，我们就可以从整体上掌握了源码模块的主要结构。这也达到了我们简单注释的基本目的。

第四步：详尽注释

完成代码的简单注释后，可以觉得对模块的剖析工作完成了一半了，剩下的内容就是对代码的深入剖析和彻底理解。简单注释总是不能将代码元素的具体含意描述的非常精确，因而详尽注释是非常有必要的。这一步中，我们须要弄清以下内容：

1．变量定义在何时被使用。

2．宏定义的代码何时被使用。

3．函数的参数和返回值的含意。

4．函数的执行流程和调用关系。

5．结构体数组的具体含意和使用条件。

我们甚至可以把这一步称为函数详尽注释，由于函数之外的代码元素的含意基本上在简单注释中早已比较明晰了。而函数本身的执行流程、算法等是这部份注释和剖析的主要任务。

例如cpufreq_ondemand策略的实现算法（函数dbs_check_cpu中）是怎样实现的。我们须要逐渐剖析该函数使用的变量和调用的函数等信息，弄清算法的来龙去脉。最好的结果，我们须要这种复杂函数的执行流程图和函数调用关系图，这是最直观的抒发形式。

通过这一步的注释，我们基本上能完全掌握待剖析代码整体的实现机制了。而所有的剖析工作可以觉得完成了80%。这一步工作尤其关键，我们必须尽量让注释的信息足够的确切，就能更好的理解待剖析代码的内部模块的界定。其实Linux内核中使用了宏句型“module_init”和“module_exit”声明模块文件，并且对模块内部子功能的界定是构建在充分了解模块的功能基础上的。只有正确界定好模块，我们就能弄清模块提供了什么外部函数和变量（使用EXPORT_SYMBOL_GPL或则EXPORT_SYMBOL导入的符号）。能够继续下一步的模块内标示符依赖关系剖析。

第五步：模块内部标示符依赖关系

通过第四步对代码模块的界定，我们就可以很“轻松”地挨个对模块进行剖析。通常的，我们可以从文件顶部的模块出入口函数开始（“module_init”和“module_exit”声明的函数，通常都在文件最后）linux内核源码剖析，按照它们调用的函数（自己定义的或则其他模块的函数）和使用的关键变量（本文件内的全局变量或则其他模块的外部变量）画出“函数-变量-函数”依赖关系图——我们称为标示符依赖关系图。

其实，模块内标示符依赖关系并非是单纯的树状结构，好多情况是纷繁复杂的网路关系。这时侯，我们对代码的详尽注释的作用就彰显下来了。我们按照函数本身的含意，将模块进行子功能界定，抽取出每位子功能的标示符依赖树。

通过标示符依赖关系剖析，可以很清晰的展示模块定义的函数调用了这些函数，使用了什么变量，以及模块子功能之间的依赖关系——公用了什么函数和变量等。

第六步：模块间互相依赖关系

一旦将所有的模块内部标示符依赖关系图整理完毕，按照模块使用的其他模块的变量或函数，可以很容易得到模块之间的依赖关系。

cpufreq代码的模块依赖关系可以表示为如下关系。

第七步：模块构架图

透过模块间的依赖关系图，可以很清楚的抒发模块在整个待剖析代码中的地位和功能。基于此，我们可以将模块分类，整理出代码的构架关系。

如cpufreq的模块依赖关系图所示，我们可以很清楚的看见所有的调频策略模块都是依赖于核心模块cpufreq、cpufreq_stats和freq_table的。假如我们把被依赖的三个模块具象为代码的核心框架的话，那些调频策略模块都是构建在这个框架之上的，它们负责和用户层交互。而核心模块cpufreq提供了驱动等相关的插口负责与系统底层交互。因而，我们可以得到如下的模块构架图。

其实，构架图并非模块的无机拼接，我们还须要结合查阅的资料去丰富构架图的含意。因而，这儿的构架图的细节会随着不同的人的理解有所误差。并且构架图主体的含意很基本一致的。至此，我们完成了待剖析的内核代码的所有剖析工作。

四、总结

正如文章开始所说，我们不可能对全部的内核代码进行剖析。因而，通过对待剖析的代码进行信息收集，之后根据上述的流程剖析出代码的原先始末是了解内核本质的有效手段。这些根据具体须要剖析内核代码的形式，为快速步入Linux内核的世界提供了可能。通过这些方法，不断的对内核的其他模块剖析，最后综合得到自己对Linux内核的理解，也就达到了我们学习Linux内核的目的。

最后向你们推荐两本学习内核的参考书。一本是《Linux内核的设计与实现》，该书为读者快速精简的介绍了Linux内核的主要功能和实现。但不会把读者带入Linux内核代码的深渊中，是了解内核构架和入门Linux内核代码的特别好的参考书，同时该书会增强读者对内核代码的兴趣。另一本是《深入理解Linux内核》，该书的精典我何必多说。我只是建议，若果想更好的学习本书，最好是结合着内核代码一起阅读。因为这本书对内核代码描述的非常详尽，所以结合代码进行阅读可以帮助我们更好的理解内核代码。同时，在剖析内核代码的过程中，也可以在本书中找到具有参考价值的资料。最后，愿你们尽快步入内核的世界，体验Linux带给我们的惊喜！

以上是深入解析 Linux 内核源码，探索操作系统本质的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！