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深度探究：linux內(nèi)核源碼剖析
Linux是一款被廣泛使用的操作系統(tǒng)，其成功離不開源碼的公開，使得開發(fā)者可以深入了解該系統(tǒng)實現(xiàn)的機(jī)制和原理。本文將對Linux內(nèi)核源碼進(jìn)行剖析，對于有興趣深入研究內(nèi)核的同學(xué)，可以借此了解更多內(nèi)部實現(xiàn)細(xì)節(jié)。
一、內(nèi)核代碼結(jié)構(gòu)
內(nèi)核代碼由多個文件和目錄組成，其中包括驅(qū)動程序、系統(tǒng)調(diào)用等。我們可以通過閱讀內(nèi)核代碼來了解內(nèi)核的運行機(jī)制和子系統(tǒng)實現(xiàn)。下面是內(nèi)核源碼的基本目錄結(jié)構(gòu)：
./arch：包含與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼
./block：塊設(shè)備層代碼
./crypto：加密代碼
./Documentation：內(nèi)核文檔
./drivers：驅(qū)動程序
./firmware：包含設(shè)備支持的固件
./fs：文件系統(tǒng)的實現(xiàn)
./include：內(nèi)核頭文件
./init：初始化代碼
./ipc：進(jìn)程間通信代碼
./kernel：內(nèi)核主要代碼
./lib：內(nèi)核庫函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
./mm：內(nèi)存管理代碼
./net：網(wǎng)絡(luò)代碼
./samples：內(nèi)核示例代碼
./scripts：構(gòu)建腳本
./security：安全模塊
./sound：聲音驅(qū)動程序
./tools：構(gòu)建和調(diào)試工具
二、內(nèi)核初始化
內(nèi)核初始化是內(nèi)核啟動過程中的一個重要階段。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，從引導(dǎo)介質(zhì)中加載內(nèi)核后，系統(tǒng)將進(jìn)行初始化。內(nèi)核初始化的代碼位于./init目錄，其中會有一個名為init/main.c文件，下面是以init/main.c為主要參考的內(nèi)核初始化流程：
1. start_kernel函數(shù)，包括硬件初始化完成后調(diào)用kernel_init_freeable函數(shù)，該函數(shù)初始化一些內(nèi)核變量。
2. kernel_init_freeable函數(shù)，包括調(diào)用relocate_init函數(shù)，該函數(shù)重新定位內(nèi)核代碼。完成之后，進(jìn)程就可以調(diào)用虛擬地址了。
3. 完成重定位之后，就從./init目錄中調(diào)用所有初始化代碼。
4. 設(shè)備和總線的初始化。
5. lockdep是鎖依賴關(guān)系的簡稱，其目的是檢測內(nèi)核線程同步時可能存在的死鎖以及競爭關(guān)系。
6. 運行定時器子系統(tǒng)。
7. 請求初始化，并啟動子系統(tǒng)。
8. 子系統(tǒng)初始化完成之后，內(nèi)核程序?qū)⑥D(zhuǎn)向用戶空間，進(jìn)入系統(tǒng)服務(wù)的處理階段。
三、內(nèi)存管理
內(nèi)核的內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)內(nèi)核的核心特性之一，其實現(xiàn)涉及到很多方面，包括內(nèi)存的分配和釋放、虛擬地址映射、頁面替換及交換等。下面簡單介紹下內(nèi)存管理的實現(xiàn)機(jī)制：
1. 物理內(nèi)存管理：用于管理非受限物理內(nèi)存，這意味著可以分配任意大小的內(nèi)存。
2. 內(nèi)核對虛擬地址空間的管理：該機(jī)制負(fù)責(zé)內(nèi)核和用戶進(jìn)程之間的交互和過渡。每個進(jìn)程都擁有一個虛擬地址空間，這個空間的大小默認(rèn)是4GB。
3. 頁面替換：當(dāng)物理內(nèi)存資源不足時，內(nèi)核會使用頁面替換來減少內(nèi)存占用。Linux使用了仿照BSD的分頁算法LRU緩存頁替換算法。
4. 虛擬存儲：Linux內(nèi)核提供了一組用戶空間系統(tǒng)調(diào)用，可以使程序可以訪問物理內(nèi)存地址區(qū)間之外的變量、函數(shù)等。
5. 虛擬地址段：在內(nèi)核初始化時，許多標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和全局映射就被初始化到虛擬地址空間的一個特定區(qū)域中。例如，開始的1GB內(nèi)存映射到內(nèi)核空間，并且連續(xù)4GB空間映射到用戶空間。
四、系統(tǒng)調(diào)用
系統(tǒng)調(diào)用是Linux提供的一種mechanism（機(jī)制）來執(zhí)行內(nèi)核服務(wù)，用戶進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用來觸發(fā)內(nèi)核代碼執(zhí)行的過程。本質(zhì)上來說，通過系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)，用戶經(jīng)過內(nèi)核代碼執(zhí)行，用于保護(hù)內(nèi)核資源和狀態(tài)。 Linux內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用流程如下：
1. 用戶進(jìn)程通過sys_*庫函數(shù)，執(zhí)行中斷指令（INT）來代表發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用。
2. 在系統(tǒng)調(diào)用中斷處理程序中，內(nèi)核將調(diào)度到所請求的函數(shù)。
3. 如果系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)成功執(zhí)行，則函數(shù)將返回狀態(tài)碼（0表示沒有錯誤），并且內(nèi)核返回執(zhí)行該調(diào)用的用戶進(jìn)程，從系統(tǒng)調(diào)用庫函數(shù)中返回結(jié)果。否則它將返回錯誤碼。
五、結(jié)語
Linux內(nèi)核源碼是開源的，沒有官方手冊或指南來組織或明確給出信息，因此它是同行學(xué)習(xí)和進(jìn)一步深入研究的最佳源。在Linux內(nèi)核中，內(nèi)存管理、系統(tǒng)調(diào)用和進(jìn)程管理等方面的實現(xiàn)機(jī)制非常重要。通過深入了解這些內(nèi)核中核心機(jī)制的實現(xiàn)，開發(fā)者可以更好地了解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本原理。
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