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Linux內核分析方法談(上)
2001-08-13 19:09:00· 喻鋒榮· chinabyte
Linux的最大的好處之一就是它的源碼公開。同時,公開的核心源碼也吸引著無數的電腦愛好者和程序員;他們把解讀和分析Linux的核心源碼作為自己的最大興趣,把修改Linux源碼和改造Linux系統(tǒng)作為自己對計算機技術追求的最大目標。
Linux內核源碼是很具吸引力的,特別是當你弄懂了一個分析了好久都沒搞懂的問題;或者是被你修改過了的內核,順利通過編譯,一切運行正常的時候。那種成就感真是油然而生!而且,對內核的分析,除了出自對技術的狂熱追求之外,這種令人生畏的勞動所帶來的回報也是非常令人著迷的,這也正是它擁有眾多追隨者的主要原因:
首先,你可以從中學到很多的計算機的底層知識,如后面將講到的系統(tǒng)的引導和硬件提供的中斷機制等;其它,象虛擬存儲的實現機制,多任務機制,系統(tǒng)保護機制等等,這些都是非都源碼不能體會的。
同時,你還將從操作系統(tǒng)的整體結構中,體會整體設計在軟件設計中的份量和作用,以及一些宏觀設計的方法和技巧:Linux的內核為上層應用提供一個與具體硬件不相關的平臺;同時在內核內部,它又把代碼分為與體系結構和硬件相關的部分,和可移植的部分;再例如,Linux雖然不是微內核的,但他把大部分的設備驅動處理成相對獨立的內核模塊,這樣減小了內核運行的開銷,增強了內核代碼的模塊獨立性。
而且你還能從對內核源碼的分析中,體會到它在解決某個具體細節(jié)問題時,方法的巧妙:如后面將分析到了的Linux通過Botoom_half機制來加快系統(tǒng)對中斷的處理。
最重要的是:在源碼的分析過程中,你將會被一點一點地、潛移默化地專業(yè)化。一個專業(yè)的程序員,總是把代碼的清晰性,兼容性,可移植性放在很重要的位置。他們總是通過定義大量的宏,來增強代碼的清晰度和可讀性,而又不增加編譯后的代碼長度和代碼的運行效率;他們總是在編碼的同時,就考慮到了以后的代碼維護和升級。 甚至,只要分析百分之一的代碼后,你就會深刻地體會到,什么樣的代碼才是一個專業(yè)的程序員寫的,什么樣的代碼是一個業(yè)余愛好者寫的。而這一點是任何沒有真正分析過標準代碼的人都無法體會到的。
然而,由于內核代碼的冗長,和內核體系結構的龐雜,所以分析內核也是一個很艱難,很需要毅力的事;在缺乏指導和交流的情況下,尤其如此。只有方法正確,才能事半功倍。正是基于這種考慮,作者希望通過此文能給大家一些借鑒和啟迪。
由于本人所進行的分析都是基于2.2.5版本的內核;所以,如果沒有特別說明,以下分析都是基于i386單處理器的2.2.5版本的Linux內核。所有源文件均是相對于目錄/usr/src/linux的。
方法之一:從何入手
要分析Linux內核源碼,首先必須找到各個模塊的位置,也即要弄懂源碼的文件組織形式。雖然對于有經驗的高手而言,這個不是很難;但對于很多初級的Linux愛好者,和那些對源碼分析很有興趣但接觸不多的人來說,這還是很有必要的。
1、Linux核心源程序通常都安裝在/usr/src/linux下,而且它有一個非常簡單的編號約定:任何偶數的核心(的二個數為偶數,例如2.0.30)都是一個穩(wěn)定地發(fā)行的核心,而任何奇數的核心(例如2.1.42)都是一個開發(fā)中的核心。
2、核心源程序的文件按樹形結構進行組織,在源程序樹的最上層,即目錄/usr/src/linux下有這樣一些目錄和文件:
◆ COPYING: GPL版權申明。對具有GPL版權的源代碼改動而形成的程序,或使用GPL工具產生的程序,具有使用GPL發(fā)表的義務,如公開源代碼;
◆ CREDITS: 光榮榜。對Linux做出過很大貢獻的一些人的信息;
◆ MAINTAINERS: 維護人員列表,對當前版本的內核各部分都有誰負責;
◆ Makefile: 第一個Makefile文件。用來組織內核的各模塊,記錄了個模塊間的相互這間的聯系和依托關系,編譯時使用;仔細閱讀各子目錄下的Makefile文件對弄清各個文件這間的聯系和依托關系很有幫助;
◆ ReadMe: 核心及其編譯配置方法簡單介紹;
◆ Rules.make: 各種Makefilemake所使用的一些共同規(guī)則;
◆ REPORTING-BUGS:有關報告Bug 的一些內容;
● Arch/ :arch子目錄包括了所有和體系結構相關的核心代碼。它的每一個子目錄都代表一種支持的體系結構,例如i386就是關于intel cpu及與之相兼容體系結構的子目錄。PC機一般都基于此目錄;
● Include/: include子目錄包括編譯核心所需要的大部分頭文件。與平臺無關的頭文件在 include/linux子目錄下,與 intel cpu相關的頭文件在include/asm-i386子目錄下,而include/scsi目錄則是有關scsi設備的頭文件目錄;
● Init/: 這個目錄包含核心的初始化代碼(注:不是系統(tǒng)的引導代碼),包含兩個文件main.c和Version.c,這是研究核心如何工作的好的起點之一。
● Mm/:這個目錄包括所有獨立于 cpu 體系結構的內存管理代碼,如頁式存儲管理內存的分配和釋放等;而和體系結構相關的內存管理代碼則位于arch/*/mm/,例如arch/i386/mm/Fault.c;
● Kernel/:主要的核心代碼,此目錄下的文件實現了大多數linux系統(tǒng)的內核函數,其中最重要的文件當屬sched.c;同樣,和體系結構相關的代碼在arch/*/kernel中;
● Drivers/: 放置系統(tǒng)所有的設備驅動程序;每種驅動程序又各占用一個子目錄:如,/block 下為塊設備驅動程序,比如ide(ide.c)。如果你希望查看所有可能包含文件系統(tǒng)的設備是如何初始化的,你可以看drivers/block/genhd.c中的device_setup()。它不僅初始化硬盤,也初始化網絡,因為安裝nfs文件系統(tǒng)的時候需要網絡;
● Documentation/: 文檔目錄,沒有內核代碼,只是一套有用的文檔,可惜都是English的,看看應該有用的哦;
● Fs/: 所有的文件系統(tǒng)代碼和各種類型的文件操作代碼,它的每一個子目錄支持一個文件系統(tǒng), 例如fat和ext2;
● Ipc/: 這個目錄包含核心的進程間通訊的代碼;
● Lib/: 放置核心的庫代碼;
● Net/: 核心與網絡相關的代碼;
● Modules/: 模塊文件目錄,是個空目錄,用于存放編譯時產生的模塊目標文件;
● Scripts/: 描述文件,腳本,用于對核心的配置;
一般,在每個子目錄下,都有一個 Makefile 和一個Readme 文件,仔細閱讀這兩個文件,對內核源碼的理解很有用。
對Linux內核源碼的分析,有幾個很好的入口點:一個就是系統(tǒng)的引導和初始化,即從機器加電到系統(tǒng)核心的運行;另外一個就是系統(tǒng)調用,系統(tǒng)調用是用戶程序或操作調用核心所提供的功能的接口。對于那些對硬件比較熟悉的愛好者,從系統(tǒng)的引導入手進行分析,可能來的容易一些;而從系統(tǒng)調用下口,則可能更合適于那些在dos或Uinx、Linux下有過C編程經驗的高手。這兩點,在后面還將介紹到。
方法之二:以程序流程為線索,一線串珠
從表面上看,Linux的源碼就象一團扎亂無章的亂麻,其實它是一個組織得有條有理的蛛網。要把整個結構分析清楚,除了找出線頭,還得理順各個部分之間的關系,有條不紊的一點一點的分析。
所謂以程序流程為線索、一線串珠,就是指根據程序的執(zhí)行流程,把程序執(zhí)行過程所涉及到的代碼分析清楚。這種方法最典型的應用有兩個:一是系統(tǒng)的初始化過程;二是應用程序的執(zhí)行流程:從程序的裝載,到運行,一直到程序的退出。
為了簡便起見,遵從循序漸進的原理,現就系統(tǒng)的初始化過程來具體的介紹這種方法。系統(tǒng)的初始化流程包括:系統(tǒng)引導,實模式下的初始化,保護模式下的初始化共三個部分。下面將一一介紹。
inux系統(tǒng)的常見引導方式有兩種:Lilo引導和Loadin引導;同時linux內核也自帶了一個bootsect-loader。由于它只能實現linux的引導,不像前兩個那樣具有很大的靈活性(lilo可實現多重引導、loadin可在dos下引導linux),所以在普通應用場合實際上很少使用bootsect-loader。當然,bootsect-loader也具有它自己的優(yōu)點:短小沒有多余的代碼、附帶在內核源碼中、是內核源碼的有機組成部分,等等。
bootsect-loader在內和源碼中對應的程序是 /Arch/i386/boot/bootsect.S 。下面將主要是針對此文件進行的分析。 幾個相關文件:
<1> /Arch/i386/boot/bootsect.S
<2> /include/linux/config.h
<3> /include/asm/boot.h
<4> /include/linux/autoconf.h
引導過程分析:
對于Intel x86 PC , 開啟電源后, 機器就會開始執(zhí)行ROM BIOS的一系列系統(tǒng)測試動作,包括檢查RAM,keyboard,顯示器,軟硬磁盤等等。執(zhí)行完bios的系統(tǒng)測試之后,緊接著控制權會轉移給ROM中的啟動程序(ROM bootstrap routine);這個程序會將磁盤上的第0軌第0扇區(qū)(叫boot sector或MBR ,系統(tǒng)的引導程序就放在此處)讀入內存中,并放到自0x07C0:0x0000開始的512個字節(jié)處;然后處理機將跳到此處開始執(zhí)行這一引導程序;也即裝入MBR中的引導程序后, CS:IP = 0x07C0:0x0000 。加電后處理機運行在與8086相兼容的實模式下。
如果要用bootsect-loader進行系統(tǒng)引導,則必須把bootsect.S編譯連接后對應的二進制代碼置于MBR; 當ROM BIOS 把bootsect.S編譯連接后對應的二進制代碼裝入內存后,機器的控制權就完全轉交給bootsect; 也就是說,bootsect將是第一個被讀入內存中并執(zhí)行的程序。
Bootsect接管機器控制權后,將依次進行以下一些動作:
1.首先,bootsect將它"自己"(自位置0x07C0:0x0000開始的512個字節(jié))從被ROM BIOS載入的地址0x07C0:0x0000處搬到0x9000:0000處; 這一任務由bootsect.S的前十條指令完成;第十一條指令“jmpi go,INITSEG”則把機器跳轉到“新”的bootsect的“jmpi go,INITSEG”后的那條指令“go: mov di,#0x4000-12”;之后,繼續(xù)執(zhí)行bootsect的剩下的代碼;在bootsect.S中定義了幾個常量:
BOOTSEG = 0x07C0 bios 載入 MBR的約定位置的段址;
INITSEG = 0x9000 bootsect.S的前十條指令將自己搬到此處(段址)
SETUPSEG =0x9020 裝入Setup.S的段址
SYSSEG =0x1000 系統(tǒng)區(qū)段址
對于這些常量可參見/include/asm/boot.h中的定義;這些常量在下面的分析中將會經常用到;
2.以0x9000:0x4000-12為棧底,建立自己的棧區(qū);其中0x9000:0x4000-12到0x9000:0x4000的一十二個字節(jié)預留作磁盤參數表區(qū);
3.在0x9000:0x4000-12到0x9000:0x4000的一十二個預留字節(jié)中建立新的磁盤參數表,之所以叫“新”的磁盤參數表,是相對于bios建立的磁盤參數表而言的。由于設計者考慮到有些老的bios不能準確地識別磁盤“每個磁道的扇區(qū)數”,從而導致bios建立的磁盤參數表妨礙磁盤的最高性能發(fā)揮,所以,設計者就在bios建立的磁盤參數表的基礎上通過枚舉法測試,試圖建立準確的“新”的磁盤參數表(這是在后繼步驟中完成的);并把參數表的位置由原來的0x0000:0x0078搬到0x9000:0x4000-12;且修改老的磁盤參數表區(qū)使之指向新的磁盤參數表;
4.接下來就到了load_setup子過程;它調用0x13中斷的第2號服務;把第0道第2扇區(qū)開始的連續(xù)的setup_sects (為常量4)個扇區(qū)讀到緊鄰bootsect的內存區(qū);,即0x9000:0x0200開始的2048個字節(jié);而這四個扇區(qū)的內容即是/arch/i386/boot/setup.S編譯連接后對應的二進制代碼; 也就是說,如果要用bootsect-loader進行系統(tǒng)引導,不僅必須把bootsect.S編譯連接后對應的二進制代碼置于MBR,而且還得把setup.S編譯連接后對應的二進制代碼置于緊跟MBR后的連續(xù)的四個扇區(qū)中;當然,由于setup.S對應的可執(zhí)行碼是由bootsect裝載的,所以,在我們的這個項目中可以通過修改bootsect來根據需要隨意地放置setup.S對應的可執(zhí)行碼;
5.load_setup子過程的唯一出口是probe_loop子過程;該過程通過枚舉法測試磁盤“每個磁道的扇區(qū)數”;
6.接下來幾個子過程比較清晰易懂:打印我們熟悉的“Loading”;讀入系統(tǒng)到0x1000:0x0000; 關掉軟驅馬達;根據的5步測出的“每個磁道的扇區(qū)數”確定磁盤類型;最后跳轉到0x9000:0x0200,即setup.S對應的可執(zhí)行碼的入口,將機器控制權轉交setup.S;整個bootsect代碼運行完畢;
引導過程執(zhí)行完后的內存印象圖:
出于簡便考慮,在此分析中,我忽略了對大內核的處理的分析,因為對大內核的處理,只是此引導過程中的一個很小的部分,并不影響對整體的把握。完成了系統(tǒng)的引導后,系統(tǒng)將進入到初始化處理階段。系統(tǒng)的初始化分為實模式和保護模式兩部分。
II、實模式下的初始化
實模式下的初始化,主要是指從內核引導成功后,到進入保護模式之前系統(tǒng)所做的一些處理。在內核源碼中對應的程序是 /Arch/i386/boot/setup.S;以下部分主要是針對此文件進行的分析。這部分的分析主要是要弄懂它的處理流程和INITSEG(9000:0000)段參數表的建立,此參數表包含了很多硬件參數,這些都是以后進行保護模式下初始化,以及核心建立的基礎。
1. 幾個其它相關文件:
<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. 實模式下的初始化過程分析:
INITSEG(9000:0000)段參數表:(參見Include/linux/tty.h)
參數名
偏移量(段址均為0x9000) 長度Byte 參考文件
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
沒用 0x0008 2 Include/linux/tty.h
PARAM_VIDEO_EGA_BX 0x000a 2 Arch/i386/boot/video.S
沒用 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
暫未用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
暫未用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位標志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 參數 0x0080 16 Arch/i386/boot/setup.S
hd0 參數 0x0090 16 Arch/i386/boot/setup.S
PS/2 device 標志⑤ 0x01ff 1 Arch/i386/boot/setup.S
* 注: ① Include/linux/tty.h : CL_MAGIC and CL_OFFSET here
Include/linux/tty.h :
unsigned char rsvd_size; /* 0x2c */ unsigned char rsvd_pos; /* 0x2d */
③ 0表示沒有APM BIOS
④ 0x0002置位表示支持32位模式
⑤ 0表示沒有,0x0aa表示有鼠標器
III、保護模式下的初始化
保護模式下的初始化,是指處理機進入保護模式后到運行系統(tǒng)第一個內核程序過程中系統(tǒng)所做的一些處理。保護模式下的初始化在內核源碼中對應的程序是 /Arch/i386/boot/compressed/head.S 和 /Arch/i386/KERNEL/head.S ;以下部分主要是針對這兩個文件進行的分析。
幾個相關文件:
<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
保護模式下的初始化過程分析:
一、/Arch/i386/KERNEL/head.S流程:
二、/Arch/i386/boot/compressed/head.S流程:
從流程圖中可以看到,保護模式下的初始化主要干了這樣幾件事: 解壓內核到0x100000處、 建立頁目錄和pg0頁表并啟動分頁功能(即虛存管理功能)、 保存實模式下測到的硬件信息到empty_zero_page、初始化命令緩存區(qū)、 檢測cpu類型、檢查協(xié)處理器、 重新建立gdt全局描述符表、和中斷描述附表idt;
從頁目錄和pg0頁表可以看出,0�;4M物理內存被用作系統(tǒng)區(qū),它被映射到系統(tǒng)段線性空間的0�;4M和3G�;3G+4M;即系統(tǒng)可以通過訪問這兩個段來訪問實際的0�;4M物理內存,也就是系統(tǒng)所在的區(qū)域; 本來在實模式下初始化時已經建立了全局描述符表gdt,而此處重新建立全局描述符表gdt則主要是出于兩個原因:一個就是若內核是大內核bzimag,則以前建立的gdt,可能已經在解壓時被覆蓋掉了所以,在這個源碼文件中均只采用相對轉移指令jxx nf或jxx nb;二是以前建立的gdt是建立在實地址方式下的,而現在則是在啟用保護虛擬地址方式之后建立的,也即現在的gdt是建立在邏輯地址(即線性地址)上的; 每次建立新的gdt后和啟用保護虛擬地址方式后都必須重新裝載系統(tǒng)棧和重新初始化各段寄存器:cs,ds,es,fs,gs; 從實模式下的初始化和保護模式下的初始化過程可以看出,linux系統(tǒng)由實模式進入到保護模式的過程大致如下:
6.由于分頁機制只能在保護模式下啟動,不能在實模式下啟動,所以第一步是必要的;又因為在386保護模式下gdt和idt是建立在邏輯地址(線性地址)上的,所以第三步也是必要的;
7.經過實模式和保護模式下的初始后,主要系統(tǒng)數據分布如下:
初始后主要系統(tǒng)數據分布表 位置 系統(tǒng)數據 大小
0x101000 頁目錄swapper_pg_dir 4K
0x102000 頁表pg0 4K
0x103000 empty_bad_page 4K
0x104000 empty_bad_page_table 4K
0x105000 empty_zero_page 4K
0x105000 系統(tǒng)硬件參數 2K
0x105800 命令緩沖區(qū) 2K
0x106000 全局描述附表gdt_table 4192B
從上面對Linux系統(tǒng)的初始化過程的分析可以看出,以程序執(zhí)行流程為線索、一線串珠,就是按照程序的執(zhí)行先后順序,弄懂程序執(zhí)行的各個階段所進行的處理,及其各階段之間的相互聯系。而流程圖應該是這種分析方法最合適的表達工具。
事實上,以程序執(zhí)行流程為線索,是分析任何源代碼都首選的方法。由于操作系統(tǒng)的特殊性,光用這種方法是遠遠不夠的。當然用這種方法來分析系統(tǒng)的初始化過程或用戶進程的執(zhí)行流程應該說是很有效的。
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