Linux内核分析方法谈

本文来自 http://blog.csdn.net/ouyang_linux007/article/details/7422346

  Linux的最大的好处之一就是它的源码公开。同时,公开的核心源码也吸引着无数的电脑爱好者和程序员;他们把解读和分析Linux的核心源码作为自己的最大兴趣,把修改Linux源码和改造Linux系统作为自己对计算机技术追求的最大目标。

Linux内核源码是很具吸引力的,特别是当你弄懂了一个分析了好久都没搞懂的问题;或者是被你修改过了的内核,顺利通过编译,一切运行正常的时候。那 种成就感真是油然而生!而且,对内核的分析,除了出自对技术的狂热追求之外,这种令人生畏的劳动所带来的回报也是非常令人着迷的,这也正是它拥有众多追随 者的主要原因:

  • 首先,你可以从中学到很多的计算机的底层知识,如后面将讲到的系统的引导和硬件提供的中断机制等;其它,象虚拟存储的实现机制,多任务机制,系统保护机制等等,这些都是非都源码不能体会的。
  • 同 时,你还将从操作系统的整体结构中,体会整体设计在软件设计中的份量和作用,以及一些宏观设计的方法和技巧:Linux的内核为上层应用提供一个与具体硬 件不相关的平台;同时在内核内部,它又把代码分为与体系结构和硬件相关的部分,和可移植的部分;再例如,Linux虽然不是微内核的,但他把大部分的设备 驱动处理成相对独立的内核模块,这样减小了内核运行的开销,增强了内核代码的模块独立性。
  • 而且你还能从对内核源码的分析中,体会到它在解决某个具体细节问题时,方法的巧妙:如后面将分析到了的Linux通过Botoom_half机制来加快系统对中断的处理。
  • 最 重要的是:在源码的分析过程中,你将会被一点一点地、潜移默化地专业化。一个专业的程序员,总是把代码的清晰性,兼容性,可移植性放在很重要的位置。他们 总是通过定义大量的宏,来增强代码的清晰度和可读性,而又不增加编译后的代码长度和代码的运行效率;他们总是在编码的同时,就考虑到了以后的代码维护和升 级。 甚至,只要分析百分之一的代码后,你就会深刻地体会到,什么样的代码才是一个专业的程序员写的,什么样的代码是一个业余爱好者写的。而这一点是任何没有真 正分析过标准代码的人都无法体会到的。

然而,由于内核代码的冗长,和内核体系结构的庞杂,所以分析内核也是一个很艰难,很需要毅力的事;在缺乏指导和交流的情况下,尤其如此。只有方法正确,才能事半功倍。正是基于这种考虑,作者希望通过此文能给大家一些借鉴和启迪。

由于本人所进行的分析都是基于2.2.5版本的内核;所以,如果没有特别说明,以下分析都是基于i386单处理器的2.2.5版本的Linux内核。所有源文件均是相对于目录/usr/src/linux的。

方法之一:从何入手

要分析Linux内核源码,首先必须找到各个模块的位置,也即要弄懂源码的文件组织形式。虽然对于有经验的高手而言,这个不是很难;但对于很多初级的Linux爱好者,和那些对源码分析很有兴趣但接触不多的人来说,这还是很有必要的。

1、Linux核心源程序通常都安装在/usr/src/linux下,而且它有一个非常简单的编号约定:任何偶数的核心(的二个数为偶数,例如2.0.30)都是一个稳定地发行的核心,而任何奇数的核心(例如2.1.42)都是一个开发中的核心。

2、核心源程序的文件按树形结构进行组织,在源程序树的最上层,即目录/usr/src/linux下有这样一些目录和文件:

◆ COPYING: GPL版权申明。对具有GPL版权的源代码改动而形成的程序,或使用GPL工具产生的程序,具有使用GPL发表的义务,如公开源代码;

◆ CREDITS: 光荣榜。对Linux做出过很大贡献的一些人的信息;

◆ MAINTAINERS: 维护人员列表,对当前版本的内核各部分都有谁负责;

◆ Makefile: 第一个Makefile文件。用来组织内核的各模块,记录了个模块间的相互这间的联系和依托关系,编译时使用;仔细阅读各子目录下的Makefile文件对弄清各个文件这间的联系和依托关系很有帮助;

◆ ReadMe: 核心及其编译配置方法简单介绍;

◆ Rules.make: 各种Makefilemake所使用的一些共同规则;

◆ REPORTING-BUGS:有关报告Bug 的一些内容;

● Arch/ :arch子目录包括了所有和体系结构相关的核心代码。它的每一个子目录都代表一种支持的体系结构,例如i386就是关于intel cpu及与之相兼容体系结构的子目录。PC机一般都基于此目录;

● Include/: include子目录包括编译核心所需要的大部分头文件。与平台无关的头文件在 include/linux子目录下,与 intel cpu相关的头文件在include/asm-i386子目录下,而include/scsi目录则是有关scsi设备的头文件目录;

● Init/: 这个目录包含核心的初始化代码(注:不是系统的引导代码),包含两个文件main.c和Version.c,这是研究核心如何工作的好的起点之一。

● Mm/:这个目录包括所有独立于 cpu 体系结构的内存管理代码,如页式存储管理内存的分配和释放等;而和体系结构相关的内存管理代码则位于arch/*/mm/,例如arch/i386/mm/Fault.c;

● Kernel/:主要的核心代码,此目录下的文件实现了大多数linux系统的内核函数,其中最重要的文件当属sched.c;同样,和体系结构相关的代码在arch/*/kernel中;

● Drivers/: 放置系统所有的设备驱动程序;每种驱动程序又各占用一个子目录:如,/block 下为块设备驱动程序,比如ide(ide.c)。如果你希望查看所有可能包含文件系统的设备是如何初始化的,你可以看 drivers/block/genhd.c中的device_setup()。它不仅初始化硬盘,也初始化网络,因为安装nfs文件系统的时候需要网 络;

● Documentation/: 文档目录,没有内核代码,只是一套有用的文档,可惜都是English的,看看应该有用的哦;

● Fs/: 所有的文件系统代码和各种类型的文件操作代码,它的每一个子目录支持一个文件系统, 例如fat和ext2;

● Ipc/: 这个目录包含核心的进程间通讯的代码;

● Lib/: 放置核心的库代码;

● Net/: 核心与网络相关的代码;

● Modules/: 模块文件目录,是个空目录,用于存放编译时产生的模块目标文件;

● Scripts/: 描述文件,脚本,用于对核心的配置;

一般,在每个子目录下,都有一个 Makefile 和一个Readme 文件,仔细阅读这两个文件,对内核源码的理解很有用。

对Linux内核源码的分析,有几个很好的入口点:一个就是系统的引导和初始化,即从机器加电到系统核心的运行;另外一个就是系统调用,系统调用是用户 程序或操作调用核心所提供的功能的接口。对于那些对硬件比较熟悉的爱好者,从系统的引导入手进行分析,可能来的容易一些;而从系统调用下口,则可能更合适 于那些在dos或Uinx、Linux下有过C编程经验的高手。这两点,在后面还将介绍到。

方法之二:以程序流程为线索,一线串珠

从表面上看,Linux的源码就象一团扎乱无章的乱麻,其实它是一个组织得有条有理的蛛网。要把整个结构分析清楚,除了找出线头,还得理顺各个部分之间的关系,有条不紊的一点一点的分析。

所谓以程序流程为线索、一线串珠,就是指根据程序的执行流程,把程序执行过程所涉及到的代码分析清楚。这种方法最典型的应用有两个:一是系统的初始化过程;二是应用程序的执行流程:从程序的装载,到运行,一直到程序的退出。

为了简便起见,遵从循序渐进的原理,现就系统的初始化过程来具体的介绍这种方法。系统的初始化流程包括:系统引导,实模式下的初始化,保护模式下的初始化共三个部分。下面将一一介绍。

linux系统的常见引导方式有两种:Lilo引导和Loadin引导;同时linux内核也自带了一个bootsect-loader。由于它只能实现 linux的引导,不像前两个那样具有很大的灵活性(lilo可实现多重引导、loadin可在dos下引导linux),所以在普通应用场合实际上很少 使用bootsect-loader。当然,bootsect-loader也具有它自己的优点:短小没有多余的代码、附带在内核源码中、是内核源码的有 机组成部分,等等。

bootsect-loader在内和源码中对应的程序是 /Arch/i386/boot/bootsect.S。下面将主要是针对此文件进行的分析。

  1. 几个相关文件: 

    <1> /Arch/i386/boot/bootsect.S

    <2> /include/linux/config.h

    <3> /include/asm/boot.h

    <4> /include/linux/autoconf.h 

  2. 引导过程分析: 

    对于Intel x86 PC , 开启电源后, 机器就会开始执行ROM BIOS的一系列系统测试动作,包括检查RAM,keyboard,显示器,软硬磁盘等等。执行完bios的系统测试之后,紧接着控制权会转移给ROM中 的启动程序(ROM bootstrap routine);这个程序会将磁盘上的第0轨第0扇区(叫boot sector或MBR , 系统的引导程序就放在此处)读入内存中,并放到自0x07C0:0x0000开始的512个字节处;然后处理机将跳到此处开始执行这一引导程序;也即装入 MBR中的引导程序后, CS:IP = 0x07C0:0x0000 。加电后处理机运行在与8086相兼容的实模式下。 

    如果要用 bootsect-loader进行系统引导,则必须把bootsect.S编译连接后对应的二进制代码置于MBR; 当ROM BIOS 把bootsect.S编译连接后对应的二进制代码装入内存后,机器的控制权就完全转交给bootsect; 也就是说,bootsect将是第一个被读入内存中并执行的程序。

    Bootsect接管机器控制权后,将依次进行以下一些动作: 

    1. 首先,bootsect将它"自己"(自位置0x07C0:0x0000开始的512个字节)从被ROM BIOS载入的地址0x07C0:0x0000处搬到0x9000:0000处; 这一任务由bootsect.S的前十条指令完成;第十一条指令“jmpi go,INITSEG”则把机器跳转到“新”的bootsect的“jmpi go,INITSEG”后的那条指令“go: mov di,#0x4000-12”;之后,继续执行bootsect的剩下的代码;在bootsect.S中定义了几个常量:

    BOOTSEG = 0x07C0 bios 载入 MBR的约定位置的段址;

    INITSEG = 0x9000 bootsect.S的前十条指令将自己搬到此处(段址)

    SETUPSEG =0x9020 装入Setup.S的段址

    SYSSEG =0x1000 系统区段址

    对于这些常量可参见/include/asm/boot.h中的定义;这些常量在下面的分析中将会经常用到;

    2.以0x9000:0x4000-12为栈底,建立自己的栈区;其中0x9000:0x4000-12到0x9000:0x4000的一十二个字节预留作磁盘参数表区;

    3. 在0x9000:0x4000-12到0x9000:0x4000的一十二个预留字节中建立新的磁盘参数表,之所以叫“新”的磁盘参数表,是相对于 bios建立的磁盘参数表而言的。由于设计者考虑到有些老的bios不能准确地识别磁盘“每个磁道的扇区数”,从而导致bios建立的磁盘参数表妨碍磁盘 的最高性能发挥,所以,设计者就在bios建立的磁盘参数表的基础上通过枚举法测试,试图建立准确的“新”的磁盘参数表(这是在后继步骤中完成的);并把 参数表的位置由原来的0x0000:0x0078搬到0x9000:0x4000-12;且修改老的磁盘参数表区使之指向新的磁盘参数表;

    4. 接下来就到了load_setup子过程;它调用0x13中断的第2号服务;把第0道第2扇区开始的连续的setup_sects (为常量4)个扇区读到紧邻bootsect的内存区;,即0x9000:0x0200开始的2048个字节;而这四个扇区的内容即是 /arch/i386/boot/setup.S编译连接后对应的二进制代码; 也就是说,如果要用bootsect-loader进行系统引导,不仅必须把bootsect.S编译连接后对应的二进制代码置于MBR,而且还得把 setup.S编译连接后对应的二进制代码置于紧跟MBR后的连续的四个扇区中;当然,由于setup.S对应的可执行码是由bootsect装载的,所 以,在我们的这个项目中可以通过修改bootsect来根据需要随意地放置setup.S对应的可执行码;

    5.load_setup子过程的唯一出口是probe_loop子过程;该过程通过枚举法测试磁盘“每个磁道的扇区数”;

    6. 接下来几个子过程比较清晰易懂:打印我们熟悉的“Loading”;读入系统到0x1000:0x0000; 关掉软驱马达;根据的5步测出的“每个磁道的扇区数”确定磁盘类型;最后跳转到0x9000:0x0200,即setup.S对应的可执行码的入口,将机 器控制权转交setup.S;整个bootsect代码运行完毕;

  3. 引导过程执行完后的内存印象图:
  4. 引导过程执行完后的内存印象图:

出于简便考虑,在此分析中,我忽略了对大内核的处理的分析,因为对大内核的处理,只是此引导过程中的一个很小的部分,并不影响对整体的把握。完成了系统的引导后,系统将进入到初始化处理阶段。系统的初始化分为实模式和保护模式两部分。

II、实模式下的初始化

实模式下的初始化,主要是指从内核引导成功后,到进入保护模式之前系统所做的一些处理。在内核源码中对应的程序是 /Arch/i386/boot/setup.S;以下部分主要是针对此文件进行的分析。这部分的分析主要是要弄懂它的处理流程和INITSEG (9000:0000)段参数表的建立,此参数表包含了很多硬件参数,这些都是以后进行保护模式下初始化,以及核心建立的基础。

1. 几个其它相关文件: 

<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. 实模式下的初始化过程分析: 

INITSEG(9000:0000)段参数表:(参见Include/linux/tty.h)


参数名

偏移量(段址均为0x9000) 长度Byte
参考文件

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
没用 0x0008 2 Include/linux/tty.h
PARAM_VIDEO_EGA_BX 0x000a 2 Arch/i386/boot/video.S
没用 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
暂未用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
暂未用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位标志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 参数 0x0080 16 Arch/i386/boot/setup.S
hd0 参数 0x0090 16 Arch/i386/boot/setup.S
PS/2 device 标志⑤ 0x01ff 1 Arch/i386/boot/setup.S

* 注: ① Include/linux/tty.h : CL_MAGIC and CL_OFFSET here

    1. Include/linux/tty.h :

unsigned char rsvd_size; /* 0x2c */unsigned char rsvd_pos; /* 0x2d */

③ 0表示没有APM BIOS

④ 0x0002置位表示支持32位模式

⑤ 0表示没有,0x0aa表示有鼠标器

III、保护模式下的初始化

保护模式下的初始化,是指处理机进入保护模式后到运行系统第一个内核程序过程中系统所做的一些处理。保护模式下的初始化在内核源码中对应的程序是 /Arch/i386/boot/compressed/head.S 和 /Arch/i386/KERNEL/head.S ;以下部分主要是针对这两个文件进行的分析。

  1. 几个相关文件:

    <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 

  2. 保护模式下的初始化过程分析:

    一、/Arch/i386/KERNEL/head.S流程:

  3. 保护模式下的初始化过程分析:

    一、/Arch/i386/KERNEL/head.S流程:

 

二、/Arch/i386/boot/compressed/head.S流程:

  1. 从流程图中可以看到,保护模式下的初始化主要干了这样几件事:

      1. 解压内核到0x100000处、
      2. 建立页目录和pg0页表并启动分页功能(即虚存管理功能)、
      3. 保存实模式下测到的硬件信息到empty_zero_page、初始化命令缓存区、
      4. 检测cpu类型、检查协处理器、
      5. 重新建立gdt全局描述符表、和中断描述附表idt;
  2. 从页目录和pg0页表可以看出,0&#0;4M物理内存被用作系统区,它被映射到系统段线性空间的0&#0;4M和3G&#0;3G+4M;即系统可以通过访问这两个段来访问实际的0&#0;4M物理内存,也就是系统所在的区域;
  3. 本 来在实模式下初始化时已经建立了全局描述符表gdt,而此处重新建立全局描述符表gdt则主要是出于两个原因:一个就是若内核是大内核bzimag,则以 前建立的gdt,可能已经在解压时被覆盖掉了所以,在这个源码文件中均只采用相对转移指令jxx nf或jxx nb;二是以前建立的gdt是建立在实地址方式下的,而现在则是在启用保护虚拟地址方式之后建立的,也即现在的gdt是建立在逻辑地址(即线性地址)上 的;
  4. 每次建立新的gdt后和启用保护虚拟地址方式后都必须重新装载系统栈和重新初始化各段寄存器:cs,ds,es,fs,gs;
  5. 从实模式下的初始化和保护模式下的初始化过程可以看出,linux系统由实模式进入到保护模式的过程大致如下:


6.由于分页机制只能在保护模式下启动,不能在实模式下启动,所以第一步是必要的;又因为在386保护模式下gdt和idt是建立在逻辑地址(线性地址)上的,所以第三步也是必要的;
7.经过实模式和保护模式下的初始后,主要系统数据分布如下:

初始后主要系统数据分布表

位置 系统数据 大小
0x101000 页目录swapper_pg_dir 4K
0x102000 页表pg0 4K
0x103000 empty_bad_page 4K
0x104000 empty_bad_page_table 4K
0x105000 empty_zero_page 4K
0x105000 系统硬件参数 2K
0x105800 命令缓冲区 2K
0x106000 全局描述附表gdt_table 4192B

从上面对Linux系统的初始化过程的分析可以看出,以程序执行流程为线索、一线串珠,就是按照程序的执行先后顺序,弄懂程序执行的各个阶段所进行的处理,及其各阶段之间的相互联系。而流程图应该是这种分析方法最合适的表达工具。

事实上,以程序执行流程为线索,是分析任何源代码都首选的方法。由于操作系统的特殊性,光用这种方法是远远不够的。当然用这种方法来分析系统的初始化过程或用户进程的执行流程应该说是很有效的。

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时间: 04-17

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