關(guān)于Linux內(nèi)核學(xué)習(xí)的誤區(qū)以及相關(guān)書籍介紹

寫給Linux內(nèi)核新手-關(guān)于Linux內(nèi)核學(xué)習(xí)的誤區(qū)

　　先說句正經(jīng)的：其實我沒資格寫這篇文章，因為自己也就一兩個月以來才開始有所領(lǐng)悟的。因此，這里與其說是關(guān)于Linux內(nèi)核學(xué)習(xí)的經(jīng)驗，不如說是自己的教訓(xùn)吧，希望不要扔雞蛋砸我^_^

　　　常常有人問：我想學(xué)習(xí)內(nèi)核，需要什么基礎(chǔ)嗎？Linus Torvalds本人是這樣回答的：你必須使用過Linux。 這個……還是有點太泛了吧，我想下面幾個基礎(chǔ)可能還是需要的，盡管不一定必需：
　　1, 關(guān)于操作系統(tǒng)理論的最初級的知識。不需要通讀并理解《操作系統(tǒng)概念》《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》等巨著，但總要知道分時（time-shared）和實時（real-time）的區(qū)別是什么，進(jìn)程是個什么東西，CPU和系統(tǒng)總線、內(nèi)存的關(guān)系（很粗略即可），等等。
　　2, 關(guān)于C語言。不需要已經(jīng)很精通C語言，只要能熟練編寫C程序，能看懂鏈表、散列表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的C實現(xiàn)，用過gcc編譯器，就可以了。當(dāng)然，如果已經(jīng)精通C語言顯然是大占便宜的。
　　3, 關(guān)于CPU的知識。這塊兒可以在學(xué)習(xí)內(nèi)核過程中補(bǔ)，但這樣的話你就需要看講解很詳細(xì)的書，比方后面將會提到的《情景分析》。你是否熟悉Intel 80386 CPU？嘗試著回答這幾個問題來判斷一下：1）說出80386的中斷門和陷阱門的區(qū)別；2）說出保護(hù)模式與實模式的區(qū)別；3）多處理器機(jī)器上，普通的讀- 改-寫回一塊內(nèi)存這樣的動作，為什么需要特殊的手段來保護(hù)。等等。講解基于其它CPU的Linux內(nèi)核的書，目前好象只有一本《IA64Linux內(nèi)核：設(shè)計與實現(xiàn)》──也還是Intel的，其它都是講解基于IA32的。
　　以上算是知識方面吧，如果還要再補(bǔ)充一條，我想就是：動手編譯過內(nèi)核。

　　好了，我們接下來走。好多人裝上Linux之后，第一件事找到內(nèi)核源碼所在的路徑，打開一個C程序文件，開始嘩嘩嘩翻頁，看看大名鼎鼎的Linux內(nèi)核代碼到底長啥模樣──然后關(guān)閉。這是可理解的，但卻不是學(xué)習(xí)的方法。剛開始，必須從讀書入手。至少要對內(nèi)核有一個Overview之后，才有可能帶著問題去試圖閱讀源代碼本身。 下面就講一下我讀過的幾本書：
　　1, 《Linux內(nèi)核設(shè)計與實現(xiàn)》，英文名Linux Kernel Development（所以有人叫它LKD），機(jī)械工業(yè)出版社，￥35, 美國Robert Love著，陳莉君譯者。 評說：
　　此書是當(dāng)今首屈一指的入門最佳圖書。作者是為2.6內(nèi)核加入了搶占的人，對調(diào)度部分非常精通，而調(diào)度是整個系統(tǒng)的核心，因此本書是很權(quán)威的。這本書講解淺顯易懂，全書沒有列舉一條匯編語句，但是給出了整個Linux操作系統(tǒng)2.6內(nèi)核的概觀，使你能通過閱讀迅速獲得一個overview。而且對內(nèi)核中較為混亂的部分（如下半部），它的講解是最透徹的。對沒怎么深入內(nèi)核的人來說，這是強(qiáng)烈推薦的一本書。
　　　翻譯：翻譯水平、負(fù)責(zé)任程度都不錯，但是印刷存在一些錯誤。買了此書的朋友可以參考我在Linux高級應(yīng)用版的《Linux內(nèi)核設(shè)計與實現(xiàn)中文版勘誤》：
http://bbs.chinaunix.net/forum/viewtopic.php?t=541234
另外，此書2005年有了第二版，目前尚無中譯本面世。我就是對照著2nd-en勘誤1st-cn的。

　　2, 《Linux內(nèi)核源代碼情景分析》上、下。毛德操、胡希明著，浙江大學(xué)出版社，上冊￥80,下冊￥70. 評說：
　　本書是基于2.4.0內(nèi)核的，比較早，也沒聽說會出第二版。上冊講解內(nèi)存管理、中斷、異常與系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)程控制、文件系統(tǒng)與傳統(tǒng)Unix IPC；下冊講解socket、設(shè)備驅(qū)動、SMP和引導(dǎo)。關(guān)于這套書的評價褒貶不一，我個人認(rèn)為其深度是同類著作中最優(yōu)秀的。本書基于Intel IA32體系，由于厚度大，很多體系上的知識都捎帶講解了，所以如果你想深入了解內(nèi)核的工作機(jī)制而又不非常熟悉Intel CPU的體系構(gòu)造，本書是最合適的。缺點是：版本較老，沒有TCP/IP協(xié)議棧部分（它講的socket只是Unix域協(xié)議的），圖表太少，不適合初學(xué)者入門。還有就是對學(xué)生朋友來說，可能書價偏高，這樣的話可以考慮先買上冊，因為上冊是核心部分，下冊一大部分都在講具體PCI/ISA/USB設(shè)備的驅(qū)動。
　　翻譯：沒什么翻譯，作者是國人，而且行文流暢。本人書桌上諸多計算機(jī)經(jīng)典圖書當(dāng)中，這套是唯一又經(jīng)典又無閱讀障礙的。
　　 www.linuxforum.net內(nèi)核版好多朋友已經(jīng)把這書讀到六七遍了，我很慚愧，上冊差不多讀熟了，下冊就SMP部分還看過──但這就花費(fèi)了整整 1年的時間，還有好多弄不懂的。這里順便說明另外一個研究內(nèi)核常見的誤區(qū)：目標(biāo)太龐大。要知道Linux內(nèi)核（最新的2.6.13）bzip2壓縮之后 37M，解壓縮之后244M，根本不是哪個人能夠吃透的。即使是內(nèi)核的核心開發(fā)團(tuán)隊中，恐怕也只Linus Torvalds、Alan Cox、David Miller、Ingo Molnar寥寥數(shù)人會有比較全面的了解，其它人都是做自己專門的部分。我自己來說，目前已經(jīng)決定放棄內(nèi)存管理的全部（slab層、LRU、rbtree等）、文件系統(tǒng)部分、外設(shè)驅(qū)動部分，暫時也沒打算弄IA32以外的其它體系的部分。

　　3, 《深入理解Linux內(nèi)核》第二版。中國電力出版社。也是陳莉君譯。此書是Linux內(nèi)核黑客在推薦圖書時的首選。 評說：
　　此書C版的converse兄送了我一本第一版，因此就沒買第二版，比較后悔。因此只就第一版說一說，第一版基于2.2,第二版2.4 。我見O'Reilly官方主頁上說第三版的英文版將于2005年11月出版，也不知咱們何時才能見到。此書圖表很多，形象地給出了關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義，與《情景分析》相比，本書內(nèi)容緊湊，不會一個問題講解動輒上百頁，有提綱挈領(lǐng)的功用，但是深度上要遜于《情景分析》。

　　4, 其它的幾本書。市面上能見到的其它的Linux內(nèi)核的圖書，象《Linux設(shè)備驅(qū)動程序》、《Linux內(nèi)核源代碼完全注釋》以及新出的《Linux內(nèi)核分析及編程》等。
　　《Linux設(shè)備驅(qū)動程序》第二版是基于2.4的，中文翻譯不錯，中國電力出版。這書強(qiáng)調(diào)動手實踐，但它是講解“設(shè)備驅(qū)動”的，不是最核心的東西，而且有些東西沒硬件的話無法實踐，可能更適合驅(qū)動開發(fā)的程序員吧，不太適合那些For fun and profit的人。此書有第三版英文版，東南大學(xué)出版社影印，講解2.6的，行文流暢，講解的面也比第二版更廣泛，我讀過其中關(guān)于同步與互斥、內(nèi)存分配的部分，感覺很不錯。
　　《Linux內(nèi)核源代碼完全注釋》（機(jī)械工業(yè)出版社）是同濟(jì)大學(xué)的博士生趙炯的著作，講解0.1Linux內(nèi)核，我沒買也沒看，有看過的朋友說一說。
　　《Linux內(nèi)核分析及編程》（電子工業(yè)出版社）是剛剛出版的，國人寫的，講解2.6.11 。很多人說好，但有人說不夠系統(tǒng)，我沒買，不敢評說。
　　還有一本清華出的《Linux內(nèi)核編程指南（第三版）》，原書應(yīng)該是好書，但是翻譯、排版十分糟爛，脫字跳行，根本沒法看，我買了一本又扔掉了。

　　5, 其它資源。 TLDP（The Linux Documentation Project）有大量文檔，其中不少是關(guān)于內(nèi)核的，有些是在國外出版過的，象《Linux Kernel Interls》《The Linux Kernel》《Linux Kernel Module Programming Guide》等，作者都是親身參加開發(fā)的人，著作較為可信。
Http://www.linuxforum.net
　　中國Linux論壇的內(nèi)核版。該版是研究內(nèi)核的中文Linux社區(qū)中水平最高的，有很多專家級別的牛人，強(qiáng)烈推薦去學(xué)習(xí)一下（但建議不要問太過分簡單的問題，人家脾氣再好也會煩的^_^），它的置頂貼簡直是一個包羅萬象的FAQ，精華區(qū)也有很多資料。只可惜太過曲高和寡，人氣不是很旺。

　　6, 一本不是講解Linux的書：《現(xiàn)代體系結(jié)構(gòu)上的Unix系統(tǒng)：內(nèi)核程序員的SMP和Caching技術(shù)》，人民郵電出版社2003版，定價￥39. 本書雖然不是講解Linux，但是對所有Unix內(nèi)核都是適用的，適合對SMP和CPU的Cache這些組成原理知識不是很熟的朋友，而且是很多國外牛人推薦的書。中文版翻譯非常負(fù)責(zé)。

　　還有個很重要的問題：怎樣瀏覽內(nèi)核源代碼。有的朋友喜歡在Windows上工作，用Source Insight；有的在Linux，用Source Navigator；還有專門瀏覽源代碼的軟件，象lxr（Linux Cross Reference）；還有用ctags/ectags/cscope等，這些都是很優(yōu)秀的軟件。我個人用Vim ctags瀏覽（參考了www.linuxforum.net內(nèi)核版wheelz大俠的文檔，）。

　　此外，前邊已經(jīng)提到的一個重要的問題是：你研究內(nèi)核的目的是什么， 開發(fā)？ 樂趣？如果是開發(fā)，而且是國內(nèi)做開發(fā)，把kernel API熟悉一下就差不太多了（你也知道國內(nèi)的水平有多差），比方說copy_from_user()、kmalloc()函數(shù)等，kernel API在Internet上找得到，編譯內(nèi)核時也可以用DocBook生成（具體請參考內(nèi)核源代碼包下的README文件）；如果是研究，那就差別很大了，需要下很大的苦功：會用kmalloc()絕不說明你懂得Linux內(nèi)核的虛存管理子系統(tǒng)，正如同會講漢語不說明你懂中國文化一樣。

　　說完了，發(fā)現(xiàn)前面講的太羅嗦了，簡化一下：
　　1, 動手編譯內(nèi)核
　　2, 精讀《Linux內(nèi)核設(shè)計與實現(xiàn)》
　　3, 上www.linuxforum.net內(nèi)核版看置頂貼與精華區(qū)
　　此外就憑自己興趣選擇吧。

下面是一篇沒寫完的《Linux內(nèi)核模塊編程入門》，不補(bǔ)寫了，將就著看吧。

albcamus 2005-10-13 02:41

寫給Linux內(nèi)核新手-關(guān)于Linux內(nèi)核學(xué)習(xí)的誤區(qū)

Linux內(nèi)核模塊編程入門
看到昨天有好幾個問linux內(nèi)核編程問題的帖子，不少是卡在了入門問題上，就整理一下入門的初步流程。針對2.6內(nèi)核的Linux系統(tǒng)，需要你的機(jī)器上已經(jīng)安裝了kernel-devel這個包，也就是編譯模塊所必須的東西：內(nèi)核的頭文件和一些Makefile。

一，Hello World程序：
[code]/*file: hello.c*/
#ifndef __KERNEL__
#define __KERNEL__
#endif
#ifndef MODULE
#define MODULE
#endif
#include ;
#include ;
#include ;

static int hello_init(void)
{
printk(KERN_ALERT "Hello, The fucking crazy worldn");
return 0;
}

static void hello_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT "Bye, The fucking crazy world!n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("albcamus ;");[/code'>albcamus@163.com>;");[/code]

2.6內(nèi)核的kbuild子系統(tǒng)跟2.4相比有本質(zhì)的改變。我們下面嘗試兩種方式編譯這個程序：
1, 你可以在本目錄下這樣寫一個Makefile
[code]obj-m := hell.o
clean:
rm -rf *.o .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions[/code]
然后用這樣的命令行編譯：
make -C /lib/modules/`uname -r`/build M=`pwd` modules
這時ls一下，就能看到生成了很多文件，其中hello.ko就是我們需要的內(nèi)核模塊。
2, 專業(yè)點兒，Makefile這樣寫：
[code]obj-m := hello.o
KERNELBUILD := /lib/modules/`uname -r`/build
default:
make -C $(KERNELBUILD) M=$(shell pwd) modules
clean:
rm -rf *.o .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions[/code]
然后只要make一下就可以了。

插入模塊用insmod命令：
insmod ./hello.ko
這時候大家可能會問：為什么我的屏幕上沒有見到輸出？這個是console的日志記錄級別和你printk消息時指定的級別（本例中指定為 KERN_ALERT，為次高，僅次于KERN_EMERG）決定的。無論如何，你可以tail 或者cat看看系統(tǒng)日志的最后幾行，系統(tǒng)日志一般為/var/log/messages，或者直接用dmesg命令，肯定能看到輸出了。

二，頭文件問題。
C 程序員都知道，要使用某個外部的函數(shù)，應(yīng)當(dāng)#include某個頭文件，這個頭文件包含了那個函數(shù)的原型(prototype)。內(nèi)核的頭文件在 include/下，其中include/asm是個符號鏈接，指向你所用內(nèi)核的具體的體系結(jié)構(gòu)目錄，比方說我的系統(tǒng)是i386的，那么 include/asm就指向include/asm-i386 。
內(nèi)核編程中我們不能鏈接libc庫，不能使用libc庫中的函數(shù)，所以很有些麻煩。一些重要的函數(shù)，象strcpy/strcmp/snprintf等，kernel也為我們實現(xiàn)并導(dǎo)出（export）了，而我們需要 #include相關(guān)的頭文件，在include/linux和include/asm中，你需要自己尋找你所要使用的函數(shù)在哪個頭文件中聲明，并將其 #include進(jìn)來。