Linux 内核结构
Linux 是一个庞大、高效而复杂的操作系统，虽然它的开发起始于 Linus Torvalds 一个人，但随着时间的推移，越来越多的人加入了 Linux 的开发和对它的不断完善。如何从整 体上把握 Linux 内核的体系结构，对于 Linux 的开发者和分析者都至关重要。
Linux 内核在整个操作系统中的位置
Linux 的内核不是孤立的，必须把它放在整个系统中去研究，如图 1.1 所示，显示了 Linux 内核在整个操作系统的位置。
Linux 内核在整个操系统中的位置
由图 可以看出，Linux 操作系统由 4 个部分组成。
1．用户进程
用户应用程序是运行在 Linux 操作系统最高层的一个庞大的软件集合。当一个用户程序
在操作系统之上运行时，它成为操作系统中的一个进程。
2．系统调用接口
在应用程序中，可通过系统调用来调用操作系统内核中特定的过程，以实现特定的服务。
例如，在程序中安排一条创建进程的系统调用，则操作系统内核便会为之创建一个新进程。
系统调用本身也是由若干条指令构成的过程。但它与一般的过程不同，主要区别是：系
统调用是运行在内核态（或叫系统态），而一般过程是运行在用户态。在 Linux 中，系统调
用是内核代码的一部分。
3．Linux 内核
这是本书要讨论的重点。内核是操作系统的灵魂，它负责管理磁盘上的文件、内存，负
责启动并运行程序，负责从网络上接收和发送数据包等。简言之，内核实际是抽象的资源操
作到具体硬件操作细节之间的接口。
4．硬件
这个子系统包括了 Linux 安装时需要的所有可能的物理设备。例如，CPU、 内存、硬盘、
网络硬件等。
上面的这种划分把整个 Linux 操作系统分为 4 个层次。把用户进程也纳入操作系统的范
围内是因为用户进程的运行和操作系统密切相关，而系统调用接口可以说是操作系统内核的
扩充，硬件则是操作系统内核赖以生存的物质条件。这 4 个层次的依赖关系表现为：上层依
赖下层。
Linux 内核的作用
从程序员的角度来讲，操作系统的内核提供了一个与计算机硬件等价的扩展或虚拟的计
算平台。它抽象了许多硬件细节，程序可以以某种统一的方式进行数据处理，而程序员则可
以避开许多硬件细节。从另一个角度讲，普通用户则把操作系统看成是一个资源管理者，在
它的帮助下，用户可以以某种易于理解的方式组织自己的数据，完成自己的工作并和其他人
共享资源。
Linux 以统一的方式支持多任务，而这种方式对用户进程是透明的，每一个进程运行起
来就好像只有它一个进程在计算机上运行一样，独占内存和其他的硬件资源，而实际上，内
核在并发地运行几个进程，并且能够让几个进程公平合理地使用硬件资源，也能使各进程之
间互不干扰安全地运行。
Linux 内核的抽象结构
Linux 内核由 5 个主要的子系统组成，如图所示。
Linux 内核子系统及其之间的关系
（1）进程调度（SCHED）控制着进程对 CPU 的访问。当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选择最值得运行的进程。可运行进程实际是仅等待 CPU 资源的进程，如果某个进程在等待其他资源，则该进程是不可运行进程。Linux 使用了比较简单的基于优先级的进程调
度算法选择新的进程。
（2）内存管理（MM）允许多个进程安全地共享主内存区域。Linux 的内存管理支持虚拟 内存，即在计算机中运行的程序，其代码、数据和堆栈的总量可以超过实际内存的大小，操作系统只将当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则保留在磁盘上。必要时，操作 系统负责在磁盘和内存之间交换程序块。
内存管理从逻辑上可以分为硬件无关的部分和硬件相关的部分。硬件无关的部分提供了进程的映射和虚拟内存的对换；硬件相关的部分为内存管理硬件提供了虚拟接口。
（3）虚拟文件系统（Virtul File System，VFS）隐藏了各种不同硬件的具体细节，为 所有设备提供了统一的接口，VFS 还支持多达数十种不同的文件系统，这也是 Linux 较有特色的一部分。
虚拟文件系统可分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指 Linux 所支持的文件系统，如 ext2，fat 等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。
（4）网络接口（NET）提供了对各种网络标准协议的存取和各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序两部分。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议，网络设备驱动程序负责与硬件设备进行通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。
（5）进程间通信（IPC） 支持进程间各种通信机制。从图 1.2 所示可以看出，处于中心位置的是进程调度，所有其他的子系统都依赖于它，因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。一般情况下，当一个进程等待硬件操作完成时，它被挂起；当操作真正完成时，进程被恢复执行。例如，当一个进程通过网络发送一条消息时，网络接口需要挂起发送进程，直到硬件成功地完成消息的发送，当消息被发送出去以后，网络接口给进程返回一个代码，表示操作的成功或失败。其他子系统（内存管理，虚拟文件系统及进程间通信）以相似的理由依赖于进程调度。
各个子系统之间的依赖关系如下。
• 进程调度与内存管理之间的关系：这两个子系统互相依赖。在多道程序环境下，程序
要运行必须为之创建进程，而创建进程的第一件事，就是要将程序和数据装入内存。
• 进程间通信与内存管理的关系：进程间通信子系统要依赖内存管理支持共享内存通信
机制，这种机制允许两个进程除了拥有自己的私有内存，还可存取共同的内存区域。
• 虚拟文件系统与网络接口之间的关系：虚拟文件系统利用网络接口支持网络文件系统
（NFS），也利用内存管理支持 RAMDISK 设备。
• 内存管理与虚拟文件系统之间的关系：内存管理利用虚拟文件系统支持交换，交换进
程（swapd）定期地由调度程序调度，这也是内存管理依赖于进程调度的唯一原因。当一个进
程存取的内存映射被换出时，内存管理向文件系统发出请求，同时，挂起当前正在运行的进
程。
除了如上图所示的依赖关系以外，内核中的所有子系统还要依赖一些共同的资源，但在图中并没有显示出来。这些资源包括所有子系统都用到的过程，例如分配和释放内存空间的过程，打印警告或错误信息的过程，还有系统的调试例程等。
Linux 内核源代码
为了深入地了解 Linux 的实现机制，还必须阅读 Linux 的内核源代码，下面是对有关源代码的介绍。
多版本的内核源代码
对不同的内核版本，系统调用一般是相同的。新版本也许可以增加一个新的系统调用，但旧的系统调用将依然不变，这对于保持向后兼容是非常必要的—一个新的内核版本不能打破常规的过程。在大多数情况下，设备文件将仍然相同，而另一方面，版本之间的内部接口有所变化。
Linux 内核源代码有一个简单的数字系统，任何偶数内核（如 2.0.30）是一个稳定的版本，而奇数内核（如 2.1.42）是正在发展中的内核。本书是基于稳定的 2.4.16 源代码的。发展中的内核总是有最新的特点，支持最新的设备，尽管它们还不稳定，也许不是你所想要的，但它们是发展最新而又稳定的内核的基础。
目前，较新而又稳定的内核版本是 2.2.x 和 2.4.x，因为版本之间稍有差别，因此，如果你想让一个新驱动程序模块既支持 2.2.x，也支持 2.4.x，就需要根据内核版本对模块进行条件编译。
对内核源代码的修改是以补丁文件的形式发布的。patch 实用程序用来对内核源文件进行一系列的修订，例如，如果你有 2.4.9 内核源代码，而想移到 2.4.16，你可以获得 2.4.16的补丁文件，应用 patch 来修订 2.4.9 源文件。例如：
$ cd /usr/src/linux
$ patch -p1 < patch-2.4.16
Linux 内核源代码的结构
Linux 内核源代码位于/usr/src/linux 目录下，其结构分布如图所示，每一个目录或子目录可以看作一个模块，其目录之间的连线表示“子目录或子模块”的关系。下面是对每一个目录的简单描述。
include/目录包含了建立内核代码时所需的大部分包含文件，这个模块利用其他模块重建内核。
init/ 子目录包含了内核的初始化代码，这是内核开始工作的起点。
arch/子目录包含了所有硬件结构特定的内核代码，如图 1.3所示，arch/子目录下有 i386和 alpha 模块等。
drivers/ 目录包含了内核中所有的设备驱动程序，如块设备，scsi 设备驱动程序等。
fs/ 目录包含了所有文件系统的代码，如：ext2，vfat 模块的代码等。
net/ 目录包含了内核的连网代码。
mm/ 目录包含了所有的内存管理代码。
ipc/ 目录包含了进程间通信的代码。
kernel/ 目录包含了主内核代码。
图显示了 8 个目录，即 init、kernel、mm、ipc、drivers、fs、arch 及 net 的包含文件都在“include/”目录下。在 Linux 内核中包含了 drivers、fs、arch 及 net 模块，这就使得 Linux 内核既不是一个层次式结构，也不是一个微内核结构，而是一个“整体式”结构。因为系统调用可以直接调用内核层，因此，该结构使得整个系统具有较高的性能，其 缺点是内核修改起来比较困难，除非遵循严格的规则和编码标准。
在图中所示的模块结构，代表了一种工作分配单元。利用这种结构，我们期望 Linus Torvalds能维护和增强内核的核心服务，即 init/、kernel/、mm/及 ipc/，其他的模块drivers、fs、arch 及 net 也可以作为工作单元，例如，可以分配一组人对块文件系统进行维护和进一步地开发，而另一组人对 scsi 文件系统进行完善。图 1.3 所示类似于 Linux 的自愿者开发队伍一起工作来增强和扩展整个系统的框架。
Linux 源代码的分布结构
从何处开始阅读源代码
像 Linux 内核这样庞大而复杂的程序看起来确实让人望而生畏，它像一个很大的球，没有起点和终点。在读源代码的过程中，你会遇到这样的情况，当读到内核的某一部分时又会涉及到其他更多的文件，当返回到原来的地方想继续往下读时，又忘了原来读的内容。在Internet 上，很多人为此付出了很大的努力，制作出了源代码导航器，这为源代码阅读提供了很好的条件，下载站点为http://lxr.linux.no/source。下面给出阅读源代码的一些线索。
1．系统的启动和初始化
在基于 Intel 的系统上，当 loadlin.exe 或 LILO 把内核装入到内存并把控制权传递给内核时，内核开始启动。关于这一部分，看 arch/i386/kernel/head.S ，head.S 进行特定结构的设置，然后跳转到 init/main.c 的 main（）例程。
2．内存管理
内存管理的代码主要在/mm，但特定结构的代码在 arch/*/mm。缺页中断处理的代码在mm/memory.c ，而内存映射和页高速缓存器的代码在 mm/filemap.c。缓冲器高速缓存是在 mm/buffer.c 中实现，而交换高速缓存是在 mm/swap_state.c 和 mm/swapfile.c 中实现。
3．内核
内核中，特定结构的代码在 arch/*/kernel，调度程序在 kernel/sched.c，fork 的代码在 kernel/fork.c，task_struct 数据结构在 include/linux/sched.h 中。
4．PCI
PCI 伪驱动程序在 drivers/pci/pci.c ，其定义在 include/linux/pci.h。每一种结构都有一些特定的 PCI BIOS 代码，Intel 的在 arch/alpha/kernel/bios32.c。
5．进程间通信
所 有 System V IPC 对 象 权 限 都 包 含 在 ipc_perm 数 据 结 构 中 ， 这 可 以 在 include/linux/ipc.h 中找到 System V 消息是在 ipc/msg.c 中实现, 共享内存在 ipc/shm.c 中，信号量在 ipc/sem.c 中，管道在 ipc/pipe.c 中实现。
6．中断处理
内核的中断处理代码是几乎所有的微处理器所特有的。中断处理代码在 arch/i386/kernel/irq.c 中，其定义在 include/asm-i386/irq.h 中。
7．设备驱动程序
Linux 内核源代码的很多行是设备驱动程序。Linux 设备驱动程序的所有源代码都保存在/driver，根据类型可进一步划分为：
/block
块设备驱动程序如 ide（在 ide.c）。如果想看包含文件系统的所有设备是如何被初始 化的，应当看 drivers/block/genhd.c 中的 device_setup（），device_setup（）不仅初始 化了硬盘，当一个网络安装 nfs 文件系统时，它也初始化网络。块设备包含了基于 IDE 和SCSI 的设备。
/char
这是看字符设备（如 tty，串口及鼠标等）驱动程序的地方。
/cdrom
Linux 的所有 CDROM 代码都在这里，如在这儿可以找到 Soundblaster CDROM 的驱动程序。
注意 ide CD 的驱动程序是 ide-cd.c，放在 drivers/block；SCSI CD 的驱动程序是 scsi.c， 放在 drivers/scsi。
/pci
这是 PCI 伪驱动程序的源代码，在这里可以看到 PCI 子系统是如何被映射和初始化的。
/scsi
在这里可以找到所有的 SCSI 代码及 Linux 所支持的 scsi 设备的所有设备驱动程序。
/net
在这里可以找到网络设备驱动程序，如 DECChip 21040 PCI 以太网驱动程序在 tulip.c中。
/sound
这是所有声卡驱动程序的所在地。
8．文件系统
EXT2 文 件 系 统 的 源 代 码 全 部 在 fs/ext2/ 目 录 下 ， 而 其 数 据 结 构 的 定 义 在 include/linux/ ext2_fs.h,ext2_fs_i.h 及 ext2_fs_sb.h 中。虚拟文件系统的数据结构在 include/linux/fs.h 中描述，而代码是在 fs/*中。缓冲区高速缓存与更新内核的守护进程的 实现是在 fs/buffer.c 中。
9．网络
网络代码保存在/net 中，大部分的 include 文件在 include/net 下，BSD 套节口代码在 net/socket.c 中，IP 第 4 版本的套节口代码在 net/ipv4/af_inet.c。一般的协议支持代码 （包括 sk_buff 处理例程）在 net/core 下，TCP/IP 联网代码在 net/ipv4 下，网络设备驱动 程序在/drivers/net 下。
10．模块
内核模块的代码部分在内核中，部分在模块包中，前者全部在 kernel/modules.c 中， 而 数 据 结 构 和 内 核 守 护 进 程 kerneld 的 信 息 分 别 在 include/linux/module.h 和 include/linux/kerneld.h 中。如果想看 ELF 目标文件的结构，它位于 include/linux/elf.h 中。
Linux 内核源代码分析工具
凡是尝试做过内核分析的人都知道，Linux 的内核组织结构虽然非常有条理，但是，它毕竟是众人合作的结果，在阅读代码的时候要将各个部分结合起来，确实是件非常困难的事 情。因为在内核中的代码层次结构肯定分多个层次，那么对一个函数的分析，肯定会涉及到多个函数，而对每一个函数都可能有多层的调用，一层层下来，直接在代码文件中查找肯定会让你失去耐心和兴趣的。最后，很多人只能望洋兴叹，或者只是找一本书来看看基本原理，却不敢去说自己真正看过内核源代码。任何一本原理书只能是你阅读源代码的导航器，绝不能代替源代码的阅读。
俗话说：“工欲善其事，必先利其器”。面对 Linux 这样庞大的源代码，必须有相应工具的支持才能使分析有效地进行下去。在此介绍两种源代码的分析工具，希望能对感兴趣的读者有所帮助。
Linux 超文本交叉代码检索工具
Linux 超文本交叉代码检索工具 LXR（Linux Cross Reference），是由挪威奥斯陆大学数学系 Arne Georg Gleditsch 和 Per Kristian Gjermshus 编写的。这个工具实际上运行在 Linux 或者 UNIX 平台下，通过对源代码中的所有符号建立索引，从而可以方便地检索任何一 个符号，包括函数、外部变量、文件名、宏定义等。不仅仅是针对 Linux 源代码，对于 C 语言的其他大型的项目，都可以建立其 LXR 站点，以便开发者查询代码，以及后继开发者学习代码。
目前的 LXR 是专门为 Linux 下面的 Apache 服务器设计的，通过运行 perl 脚本，检索在安装时根据需要建立的源代码索引文件，将数据发送到网络客户端的 Web 浏览器上。任何一种平台上的 Web 浏览器都可以访问，这就方便了习惯在 Windows 平台下工作的用户。 LXR 的 英 文 网 站 为 http://lxr.linux.no/ ， 在 中 国 Linux 论 坛 http://www.linuxforum.net上有其镜像。
读者如果想建立自己的 LXR网站，则可直接通过 http://lxr.linux.no/lxr-0.3.tar.gz，下载 LXR 的 tarball 形式的安装包。另外，因为 LXR 使用 glimpse 作为整个项目中文本的搜索工具，因此还需要下载 glimpse，位置在 http://glimpse.cs.arizona.edu ，下载 glimpse-4.12.6.bin.Linux- 2.2.5-22-i686.tar.gz，也可以使用更新的版本下载以后按照说明进行安装和配置，就可以建立自己的 LXR 网站。如果你上网很方便，就可以直接从 http://lxr.linux.no/网站查询所需要的各种源代码信息。
Windows 平台下的源代码阅读工具（Source Insight）
为了方便地学习 Linux 源程序，我们不妨回到我们熟悉的 Windows 环境下。但是在 Windows 平台上，使用一些常见的集成开发环境，效果也不是很理想，比如难以将所有的文 件加进去，查找速度缓慢，对于非 Windows 平台的函数不能彩色显示。在 Windows 平台下有一个强大的源代码编辑器，它的卓越性能使得学习 Linux 内核源代码的难度大大降低，这便 是 Source Insight 3.0 ， 它 是 一 个 Windows 平 台 下 的 共 享 软 件 ， 可 以 从 http://www.sourceinsight.com/上下载 30天试用版本。由于 Source Insight是一个 Windows平台的应用软件，所以首先要通过相应手段把 Linux 系统上的程序源代码移到 Windows 平台下，这一点可以通过在 linux 平台上将/usr/src 目录下的文件拷贝到 Windows 平台的分区上，或者从网上或光盘中直接拷贝文件到 Windows 平台的分区上。
这个软件的安装非常简单，双击安装文件名，然后按提示进行即可。安装完成后，就可 启动该程序。这个软件使用起来也非常简单：先选择 Project 菜单下的 new，新建一个工程， 输入工程名，接着要求你把欲读的源代码加入（可以加入整个目录）后，该软件就分析你所 加的源代码。分析完后，就可以进行阅读了。对于打开的阅读文件，如果想看某一变量的定 义，先把光标定位于该变量，然后单击工具条上的相应选项，该变量的定义就显示出来。对 于函数的定义与实现也可以同样操作。
