学习指导:关于Linux内核学习的误区

时间:2022-05-02 05:45:26

学习指导:关于Linux内核学习的误区
                         作者:bingao 来源:赛迪网技术社区 
先说句正经的:其实我没资格写这篇文章,因为自己也就一两个月以来才开始有所领悟的。因此,这里和其说是关于Linux内核学习的经验,不如说是自己的教训吧,希望不要扔鸡蛋砸我^_^ 
常常有人问:我想学习内核,需要什么基础吗?Linus Torvalds本人是这样回答的:你必须使用过Linux. 这个……还是有点太泛了吧,我想下面几个基础可能还是需要的,尽管不一定必需: 
1, 关于操作系统理论的最初级的知识。不必通读并理解《操作系统概念》《现代操作系统》等巨著,但总要知道分时(time-shared)和实时(real-time)的差别是什么,进程是个什么东西,CPU和系统总线、内存的关系(非常粗略即可),等等。 
2, 关于C语言。不必已非常精通C语言,只要能熟练编写C程式,能看懂链表、散列表等数据结构的C实现,用过gcc编译器,就能了。当然,如果已精通C语言显然是大占便宜的。 
3, 关于CPU的知识。这块儿能在学习内核过程中补,但这样的话你就需要看讲解非常周详的书,比方后面将会提到的《情景分析》。你是否熟悉Intel 80386 CPU?尝试着回答这几个问题来判断一下:1)说出80386的中断门和陷阱门的差别;2)说出保护模式和实模式的差别;3)多处理器机器上,普通的读-改-写回一块内存这样的动作,为什么需要特别的手段来保护。等等。讲解基于其他CPU的Linux内核的书,目前好象只有一本《IA64Linux内核:设计和实现》──也还是Intel的,其他都是讲解基于IA32的。 
以上算是知识方面吧,如果还要再补充一条,我想就是:动手编译过内核。 
好了,我们接下来走。好多人装上Linux之后,第一件事找到内核源码所在的路径,打开一个C程式文件,开始哗哗哗翻页,看看大名鼎鼎的Linux内核代码到底长啥模样──然后关闭。这是可理解的,但却不是学习的方法。刚开始,必须从读书入手。至少要对内核有一个Overview之后,才有可能带着问题去试图阅读原始码本身。 下面就讲一下我读过的几本书: 
1、《Linux内核设计和实现》,英文名Linux Kernel Development(所以有人叫他LKD),机械工业出版社,¥35, 美国Robert Love著,陈莉君译者。 评说:此书是当今首屈一指的入门最佳图书。作者是为2.6内核加入了抢占的人,对调度部分非常精通,而调度是整个系统的核心,因此本书是非常权威的。这本书讲解浅显易懂,全书没有列举一条汇编语句,不过给出了整个Linux操作系统2.6内核的概观,使你能通过阅读迅速获得一个overview.而且对内核中较为混乱的部分(如下半部),他的讲解是最透彻的。对没怎么深入内核的人来说,这是强烈推荐的一本书。 
翻译:翻译水平、负责任程度都不错,不过印刷存在一些错误。买了此书的朋友能参考我在Linux高级应用版的《Linux内核设计和实现中文版勘误》: 
2、《Linux内核原始码情景分析》上、下。毛德操、胡希明著,浙江大学出版社,上册¥80,下册¥70. 评说:本书是基于2.4.0内核的,比较早,也没听说会出第二版。上册讲解内存管理、中断、异常和系统调用、进程控制、文件系统和传统Unix IPC;下册讲解socket、设备驱动、SMP和引导。关于这套书的评价褒贬不一,我个人认为其深度是同类著作中最优秀的。本书基于Intel IA32体系,由于厚度大,非常多体系上的知识都捎带讲解了,所以如果你想深入了解内核的工作机制而又不非常熟悉Intel CPU的体系构造,本书是最合适的。缺点是:版本较老,没有TCP/IP协议栈部分(他讲的socket只是Unix域协议的),图表太少,不适合初学者入门。更有就是对学生朋友来说,可能书价偏高,这样的话能考虑先买上册,因为上册是核心部分,下册一大部分都在讲具体PCI/ISA/USB设备的驱动。 
翻译:没什么翻译,作者是国人,而且行文流畅。本人书桌上诸多计算机经典图书当中,这套是唯一又经典又无阅读障碍的。 
好多朋友已把这书读到六七遍了,我非常惭愧,上册差不多读熟了,下册就SMP部分还看过──但这就花费了整整1年的时间,更有好多弄不懂的。这里顺便说明另外一个研究内核常见的误区:目标太庞大。要知道Linux内核(最新的2.6.13)bzip2压缩之后37M,解压缩之后244M,根本不是哪个人能够吃透的。即使是内核的核心研发团队中,恐怕也只Linus Torvalds、Alan Cox、David Miller、Ingo Molnar寥寥数人会有比较全方面的了解,其他人都是做自己专门的部分。 我自己来说,目前已决定放弃内存管理的全部(slab层、LRU、rbtree等)、文件系统部分、外设驱动部分,暂时也没打算弄IA32以外的其他体系的部分。 
3、《深入理解Linux内核》第二版。中国电力出版社。也是陈莉君译。此书是Linux内核黑客在推荐图书时的最佳选择。 评说:此书C版的converse兄送了我一本第一版,因此就没买第二版,比较后悔。因此只就第一版说一说,第一版基于2.2,第二版2.4 .我见O’Reilly官方主页上说第三版的英文版将于2005年11月出版,也不知咱们何时才能见到。此书图表非常多,形象地给出了关键数据结构的定义,和《情景分析》相比,本书内容紧凑,不会一个问题讲解动辄上百页,有提纲挈领的功用,不过深度上要逊于《情景分析》。 
4、其他的几本书。市面上能见到的其他的Linux内核的图书,象《Linux设备驱动程式》、《Linux内核原始码完全注释》及新出的《Linux内核分析及编程》等。 
《Linux设备驱动程式》第二版是基于2.4的,中文翻译不错,中国电力出版。这书强调动手实践,但他是讲解“设备驱动”的,不是最核心的东西,而且有些东西没硬件的话无法实践,可能更适合驱动研发的程式员吧,不太适合那些For fun and profit的人。此书有第三版英文版,东南大学出版社影印,讲解2.6的,行文流畅,讲解的面也比第二版更广泛,我读过其中关于同步和互斥、内存分配的部分,感觉非常不错。 
《Linux内核原始码完全注释》(机械工业出版社)是同济大学的博士生赵炯的著作,讲解0.1Linux内核,我没买也没看,有看过的朋友说一说。 
《Linux内核分析及编程》(电子工业出版社)是刚刚出版的,国人写的,讲解2.6.11 .非常多人说好,但有人说不够系统,我没买,不敢评说。 
更有一本清华出的《Linux内核编程指南(第三版)》,原书应该是好书,不过翻译、排版十分糟烂,脱字跳行,根本没法看,我买了一本又扔掉了。 
5、其他资源。 TLDP(The Linux Documentation Project)有大量文件,其中不少是关于内核的,有些是在国外出版过的,象《Linux Kernel Interls》《The Linux Kernel》《Linux Kernel Module Programming Guide》等,作者都是亲身参加研发的人,著作较为可信。 
6、本不是讲解Linux的书:《现代体系结构上的Unix系统:内核程式员的SMP和Caching技术》,人民邮电出版社2003版,定价¥39. 本书虽然不是讲解Linux,不过对所有Unix内核都是适用的,适合对SMP和CPU的Cache这些组成原理知识不是非常熟的朋友,而且是非常多国外牛人推荐的书。中文版翻译非常负责。 
更有个非常重要的问题:怎样浏览内核原始码。有的朋友喜欢在视窗系统上工作,用Source Insight;有的在Linux,用Source Navigator;更有专门浏览原始码的软件,象lxr(Linux Cross Reference);更有用ctags/ectags/cscope等,这些都是非常优秀的软件。我个人用Vim + ctags浏览。 
此外,前边已提到的一个重要的问题是:你研究内核的目的是什么, 研发? 乐趣?如果是研发,而且是国内做研发,把kernel API熟悉一下就差不太多了(你也知道国内的水平有多差),比方说copy_from_user()、kmalloc()函数等,kernel API在Internet上找得到,编译内核时也能用DocBook生成(具体请参考内核原始码包下的README文件);如果是研究,那就差别非常大了,需要下非常大的苦功:会用kmalloc()绝不说明你懂得Linux内核的虚存管理子系统,正如同会讲汉语不说明你懂中国文化相同。