1、第1章 Linux內(nèi)核基礎(chǔ),本章主要內(nèi)容,Linux簡(jiǎn)介 Linux內(nèi)核和Unix內(nèi)核的比較 Linux內(nèi)核版本 獲取、閱讀內(nèi)核源代碼 編譯內(nèi)核,1.1 Linux簡(jiǎn)介,Linux的起源：UNIX Linux的產(chǎn)生 為什么使用Linux Linux的現(xiàn)狀 Linux與發(fā)展我國(guó)自主的操作系統(tǒng),Linux的起源：UNIX,70年代Unix的初始發(fā)展階段 1969年，在AT &T貝爾實(shí)驗(yàn)室，Ken Thompson、Dennis Ritchie和其他的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)操作系統(tǒng)，這個(gè)新的操作系統(tǒng)稱為UNIX。 1971年 UNIX移植到PDP-11上，第一次得到實(shí)用。此時(shí)的系統(tǒng)全部用匯編語(yǔ)言寫成；

2、1973年用C語(yǔ)言重寫UNIX核心，系統(tǒng)變得極為便于理解、修改和移植； 1976年的V6是第一個(gè)在Bell實(shí)驗(yàn)室以外可以使用的版本。 1977年UNIX成為產(chǎn)品；同期開(kāi)始被移植到各種類型的機(jī)器上，并產(chǎn)生了許多變種版本。如移植到VAX機(jī)上形成32位的UNIX V7。,Linux的起源：UNIX,80年代Unix的豐富發(fā)展時(shí)期 1981年Bell實(shí)驗(yàn)室推出UNIX SYSTEM III。 一個(gè)重要的分支是BSD版（Berkeley UNIX）。由加利福尼亞大學(xué)伯利克分校開(kāi)發(fā)。它在UNIX中增加了很多顯著的特征，如TCP/TP網(wǎng)絡(luò)、UFS文件系統(tǒng)，并改進(jìn)了內(nèi)存管理代碼，采用頁(yè)。 90年代Unix的完

3、善階段 Bell實(shí)驗(yàn)室推出UNIX System V Release 4 。 伯克利的4.3BSD已經(jīng)形成了當(dāng)前Unix的兩大流派 Linux的出現(xiàn),UNIX的重要分支,SUN公司的SunOS與Solaris SUN公司在4.2BSD UNIX基礎(chǔ)上加進(jìn)系統(tǒng)V形成SunOS，后來(lái)由SunSoft繼續(xù)開(kāi)發(fā)，形成SYSTEM V基礎(chǔ)上的Solaris。 硬件平臺(tái)：Sun Sparc、Intel PC工作站和服務(wù)器 SCO公司的SCO UNIX SCO Unix使用Intel的平臺(tái)，較早進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。它的歷史追溯到MicroSoft開(kāi)發(fā)的Xienx，Xienx是運(yùn)行在Intel平臺(tái)上的一種基于Uni

4、x V 6的系統(tǒng)。 Xienx開(kāi)發(fā)部門獨(dú)立出來(lái)成立了SCO公司，并基于AT&T System VR3.2開(kāi)發(fā)了SCO Unix，其最新的版本為增強(qiáng)了圖 形接口的SCO OpenServer 5.0.4。 AT&T將Unix系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室賣給了Novell公司，它們的Unix被更名為UnixWare。但是Novell正逢經(jīng)營(yíng)問(wèn)題，不得不將UnixWare再次賣給SCO。 硬件平臺(tái)：Intel PC工作站和服務(wù)器,UNIX的重要分支,IBM公司的IBM AIX 硬件平臺(tái)：IBM RS/6000和其它使用IBM Power 和PowerPC系列處理器的系統(tǒng)，Intel AI-64版。 HP公司的Hewl

5、ett-Packard HP-UX 硬件平臺(tái)：HP 9000服務(wù)器,Linux的產(chǎn)生,Richard Stallman于1984年獨(dú)立開(kāi)發(fā)出一個(gè)類UNIX的操作系統(tǒng)。 Stallman 的理想就是“開(kāi)發(fā)出一個(gè)質(zhì)量高而自由的操作系統(tǒng)”。為此他創(chuàng)立了自由軟件基金會(huì)，資助GNU (GNU is Not Unix的縮寫) 軟件開(kāi)發(fā)。之后GNU開(kāi)發(fā)了gcc、Emacs等大量的程序。 芬蘭學(xué)生Linus Torvalds于1991年為基于Intel 80386的IBM兼容機(jī)開(kāi)發(fā)了Linux操作系統(tǒng)。,Linux的產(chǎn)生,Linux在加入自由軟件組織GNU后，經(jīng)過(guò)Internet上全體開(kāi)發(fā)者的共同努力，已成為

6、能夠支持各種體系結(jié)構(gòu)（包括Alpha、SPARC、PowerPC、MC680 x0、IBM System/390等）的具有很大影響力的操作系統(tǒng)。 注：Pentium, Pentium II等等均屬于i386系列體系結(jié)構(gòu)）。本課程將主要針對(duì) i386 CPU。,為什么要用Linux,免費(fèi)或少花費(fèi)用 減少在硬件升級(jí)上的開(kāi)支 根據(jù)您的需求靈活定制 從許可證的限制中解脫 穩(wěn)定性 性能 標(biāo)準(zhǔn)兼容性 眾多的硬件支持特性 強(qiáng)大因特網(wǎng)支持 能與現(xiàn)有存在的操作系統(tǒng)共存,Linux的現(xiàn)狀,Linux的用戶 個(gè)人用戶：是潛在用戶。 專業(yè)用戶：學(xué)習(xí)內(nèi)核功能，從中找到有用的思想；從源代碼中獲得編程技巧。 商業(yè)用戶：看重

7、Linux的安全性、可靠性和低廉的費(fèi)用。,Linux的功能,提供WWW服務(wù) 打印服務(wù) 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù) 網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 典型應(yīng)用,Linux的欠缺,字處理軟件、表格處理軟件等沒(méi)有Word、Excel等功能強(qiáng) 操作易用性、安裝易用性、配置易用性 在可靠性方面，沒(méi)有一個(gè)成熟的雙機(jī)熱備份系統(tǒng),Linux與發(fā)展我國(guó)自主的操作系統(tǒng),發(fā)展我國(guó)自主的操作系統(tǒng)，這里的“自主”，不是有“自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)”，因?yàn)樵谧灾鞯募夹g(shù)中可以包含公有技術(shù)和其他不收使用費(fèi)（版權(quán)費(fèi)）的技術(shù)。如果采用Linux作為自主操作系統(tǒng)的核心，它是自由軟件，屬于不收版權(quán)費(fèi)的技術(shù)，它的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于Linux群體。 采用Linux作為OS核心可以達(dá)到自主，即

8、得到源碼，自主發(fā)布版本，可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行定制，可以修改、發(fā)展等等，當(dāng)然，同時(shí)也要遵守它的公用許可證（GPL）條款。 發(fā)展在OS上的支撐軟件、應(yīng)用軟件，發(fā)展PC以外的嵌入式OS 。,操作系統(tǒng)自主的意義,為什么要發(fā)展自主操作系統(tǒng),保障網(wǎng)絡(luò)及信息安全 Windows存在問(wèn)題 不提供源代碼，像一個(gè)“黑盒子” 改變軟件產(chǎn)業(yè)游戲規(guī)則 Windows的壟斷，世界市場(chǎng)占95%，中國(guó)市場(chǎng)占95% Windows與其他應(yīng)用軟件捆綁，使民族產(chǎn)業(yè)受到威脅 未來(lái)OS是Windows和Linux之爭(zhēng),Linux與Windows的爭(zhēng)奪,Linux作為Internet服務(wù)器的理由,機(jī)遇,OS/2的教訓(xùn) 曾經(jīng)輝煌到能與W

9、indows平起平坐，但現(xiàn)在已退出操作系統(tǒng)舞臺(tái) Linux的機(jī)遇 開(kāi)放源碼的前景 我國(guó)的具體情況,自主操作系統(tǒng)的內(nèi)容,1. 采用Linux作為自主OS的核心，并免費(fèi)取得源碼。當(dāng)然，按照GPL的規(guī)定，對(duì)Linux核心的任何改進(jìn)，源碼也必須開(kāi)放。 2在Linux核心的基礎(chǔ)上，我們可以按照特定的環(huán)境和需求定制成OS的各個(gè)“發(fā)行版本”，操作系統(tǒng)的發(fā)行版本可以包含與其捆綁在一起的支撐軟件和應(yīng)用軟件。,自主操作系統(tǒng)的內(nèi)容,3圍繞Linux進(jìn)行開(kāi)發(fā)、增值、集成工作，這包括對(duì)OS核心的改進(jìn)，增加驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備支持，簡(jiǎn)化安裝、配置，開(kāi)發(fā)對(duì)用戶友好的界面，開(kāi)發(fā)運(yùn)行于Linux平臺(tái)的中間件和應(yīng)用軟件等等。 4加強(qiáng)對(duì)

10、Linux的技術(shù)支持、服務(wù)，要看到服務(wù)業(yè)的重要性。 5發(fā)展Linux的培訓(xùn)工作。如果能將Linux的培訓(xùn)與計(jì)算機(jī)OS的教學(xué)、計(jì)算機(jī)資格考試等等結(jié)合起來(lái)，將對(duì)它的推廣產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。,紅旗Linux,北京中科紅旗軟件技術(shù)有限公司(簡(jiǎn)稱紅旗軟件)是由中國(guó)科學(xué)院軟件研究所和上海聯(lián)創(chuàng)投資管理有限公司在2000年6月份共同組建的。 紅旗軟件致力紅旗Linux操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和推廣；提供包括桌面、服務(wù)器、高性能運(yùn)算系統(tǒng)、安全操作系統(tǒng)到嵌入式系統(tǒng)的全線產(chǎn)品，以及全方位應(yīng)用解決方案和技術(shù)服務(wù)。,紅旗Linux,紅旗嵌入式Linux秉承了開(kāi)放的Linux的諸多優(yōu)秀性能，并經(jīng)過(guò)紅旗的精心優(yōu)化和裁減，從而更

11、加適用于嵌入式設(shè)備?，F(xiàn)在，您可以在移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)（PDA、Smart Phone、E-book）、信息家電（機(jī)頂盒）、工業(yè)（智能工控設(shè)備）、商業(yè)（POS/ATM）等眾多的嵌入式設(shè)備中看到紅旗嵌入式Linux的身影。,POSIX可移植操作系統(tǒng)接口,POSIX（可移植 UNIX 操作系統(tǒng)接口）是由業(yè)界眾多公司開(kāi)發(fā)并正在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。最早的標(biāo)準(zhǔn)在 1988 年被采用，在很大程度上基于System V 接口。已采用的 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)包括： POSIX.1 - 用于 C 程序的基礎(chǔ)系統(tǒng)接口。1988 年采用，1990 年修訂。 POSIX.2 - Shell 和公用程序，包括交互式公用程序和幾個(gè) C

12、 接口。1992 年采用。 POSIX.3 - 用于衡量 POSIX 遵從性的測(cè)試方法。1991 年采用。 POSIX.3.1 - 用于衡量 POSIX.1 遵從性的測(cè)試方法。1993 年采用。 POSIX.4 - POSIX.1 的實(shí)時(shí)擴(kuò)展。1993 年采用。 POSIX.5 - 綁定到 POSIX.1 的 Ada 語(yǔ)言。描述與 POSIX.1 相同的功能，可通過(guò) Ada 程序訪問(wèn)。1992 年采用。 POSIX.9 - 綁定到 POSIX.1 的 FORTRAN77 語(yǔ)言。描述與 POSIX.1 相同的功能，可通過(guò) FORTRAN77 程序訪問(wèn)。1992 年采用。,GNU GPL （GNU

13、通用公共許可證 ）,其宗旨是保證用戶有無(wú)限復(fù)制和修改的權(quán)利。copyleft 它要求用戶在發(fā)布源碼時(shí)不收費(fèi)、不附加其他條款，并必須附帶GPL的條款。這樣，無(wú)論任何人是否作了修改，在重新發(fā)布軟件時(shí)，都必須連帶傳遞復(fù)制和修改該軟件的自由度。 版權(quán)所有(C)1989，1991 Free Software Foundation, Inc,Linux遵從GNU 的GPL第二版。你可以自由獲取Linux內(nèi)核源代碼并任意修改它來(lái)使用，但如果你要發(fā)布你修改過(guò)的內(nèi)核，則必須保證你的內(nèi)核源碼可以被任何人使用和修改。 因?yàn)榭梢垣@取Linux內(nèi)核源代碼，所以你能夠自行配制你的內(nèi)核成為你想要的樣子。,自由軟件基金會(huì)(F

14、SF),自由軟件基金會(huì)(Free Software Foundation, Inc.)致力于消除對(duì)計(jì)算機(jī)程序在復(fù)制、分發(fā)、理解和修改方面的限制。通過(guò)在所有計(jì)算領(lǐng)域中開(kāi)發(fā)和使用自由軟件尤其是通過(guò)幫助開(kāi)發(fā)GNU操作系統(tǒng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。 自由軟件基金會(huì)致力于開(kāi)發(fā)新的自由軟件，以及將這些軟件構(gòu)造成為一個(gè)協(xié)調(diào)一致的系統(tǒng)。 除了開(kāi)發(fā)GNU之外，F(xiàn)SF還分發(fā)GNU軟件的拷貝和手冊(cè)，只收取分發(fā)費(fèi)用，它還接受免稅的饋贈(zèng)以支持GNU的開(kāi)發(fā)。FSF的大多數(shù)資金來(lái)自它的軟件分發(fā)服務(wù)。,1.2 Linux內(nèi)核和Unix內(nèi)核的比較,單內(nèi)核與微內(nèi)核 單內(nèi)核：把內(nèi)核從整體上作為一個(gè)單獨(dú)的大過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，并同時(shí)運(yùn)行在一個(gè)單

15、獨(dú)的地址空間。所有內(nèi)核服務(wù)都在這樣的一個(gè)大內(nèi)核空間中運(yùn)行。大多數(shù)Unix系統(tǒng)都設(shè)計(jì)為單內(nèi)核。 微內(nèi)核：它的功能被劃分為獨(dú)立的過(guò)程，每個(gè)過(guò)程叫做一個(gè)服務(wù)。所有的服務(wù)都保持獨(dú)立并運(yùn)行在各自的地址空間。Windows是典型的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。,Linux是一個(gè)單內(nèi)核，也即，Linux內(nèi)核運(yùn)行在單獨(dú)的內(nèi)核地址空間。 但Linux也汲取了微內(nèi)核的精華，如：模塊化設(shè)計(jì)、搶占式內(nèi)核、支持內(nèi)核線程、動(dòng)態(tài)裝載內(nèi)核模塊。,Linux內(nèi)核與Unix內(nèi)核的比較,Linux支持動(dòng)態(tài)加載內(nèi)核模塊 Linux支持SMP（Symmetrical MultiProcessor，對(duì)稱多處理） Linux 內(nèi)核可以搶占 Linux內(nèi)核并

16、不區(qū)分線程和一般進(jìn)程 Linux提供具有設(shè)備類的面向?qū)ο蟮脑O(shè)備模型、熱插拔事件，以及用戶空間的設(shè)備文件系統(tǒng) Linux忽略了一些設(shè)計(jì)拙劣的Unix特性 Linux是免費(fèi)的,1.3 Linux內(nèi)核版本,Linux內(nèi)核版本號(hào)命名規(guī)則： 主版本號(hào).次版本號(hào).修訂版本號(hào) 當(dāng)次版本號(hào)為偶數(shù)，內(nèi)核為穩(wěn)定版； 奇數(shù)，內(nèi)核為開(kāi)發(fā)版。 如：2.4.33，2.6.17均為穩(wěn)定版。 2006年8月23日發(fā)布了1版內(nèi)核。,本課程分析的內(nèi)核版本,與教材相配合，本課程采用2.6.10版的內(nèi)核作為實(shí)例進(jìn)行分析。,1.4 獲取、閱讀內(nèi)核源代碼,官方網(wǎng)站： 新版本的內(nèi)核的

17、發(fā)布有兩種形式: 完整的內(nèi)核版本：比較大，一般是.tar.bz2或者.tar.gz文件 patch文件，即補(bǔ)?。罕容^小，一般只有幾十K到幾百K，但是patch文件是針對(duì)于特定的版本的，你需要找到自己對(duì)應(yīng)的版本才能使用,源代碼閱讀工具,Windows平臺(tái)下的閱讀工具：Source Insight。 Source Insight的使用簡(jiǎn)單介紹如下：先選擇Project菜單下的new，新建一個(gè)工程，輸入工程名，接著要求你把欲讀的源代碼加入（可以整個(gè)目錄加）后，該軟件就分析你所加的源代碼。分析完后，就可以進(jìn)行閱讀了。對(duì)于打開(kāi)的閱讀文件，如果想看某一變量的定義，先把光標(biāo)定位于該變量，然后點(diǎn)擊工具條上的相

18、應(yīng)選項(xiàng)，該變量的定義就顯示出來(lái)。對(duì)于函數(shù)的定義與實(shí)現(xiàn)也可以同樣操作。,閱讀源代碼,閱讀Linux內(nèi)核源代碼的基本要求： 操作系統(tǒng)的基本知識(shí)； 對(duì)C語(yǔ)言比較熟悉，最好了解匯編語(yǔ)言的知識(shí)和GNU C對(duì)標(biāo)準(zhǔn)C的擴(kuò)展的知識(shí)。 另外在閱讀之前，還應(yīng)該知道Linux內(nèi)核源代碼的整體分布情況?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)一般由進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)等組成?？匆幌翷inux內(nèi)源代碼就可看出，各個(gè)目錄大致對(duì)應(yīng)了這些方面。 Linux內(nèi)核源代碼的組成見(jiàn)第9頁(yè)表2-1。,內(nèi)核源碼樹(shù),2.4.33,內(nèi)核源碼樹(shù),,內(nèi)核源代碼樹(shù) (1),內(nèi)核源代碼的頂層是/usr/src/linux，此目錄下有：

19、(1) arch：與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼 alpha：DEC Alpha CPU工作站 arm：ARM系列CPU，如Corel的 NetWinder 和AcornRisc PC i386：Intel公司的80386CPU m68k：Motorola公司的680X0CPU，如Apple公司Macintosh計(jì)算機(jī) mips：MIPS CPU，最著名的是Silicon Graphics(SGI)工作站 ppc： Motorola/IBM的PowerPC系列CPU，IBM的RS/6000計(jì)算機(jī) sparc：UltraSPARC CPU，SUN公司產(chǎn)品,內(nèi)核源代碼樹(shù) (2),(2) crypto: cr

20、ypto API (3) Document：有關(guān)Linux內(nèi)核的文檔 (4) drivers: 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 (5) fs: Linux支持的文件系統(tǒng)，每個(gè)子目錄分別對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的文件系統(tǒng) (6) include: 包含了所有的.h文件，在include中也是為各種CPU都專設(shè)一個(gè)子目錄，而通用的子目錄asm則根據(jù)系統(tǒng)的配置而符號(hào)鏈接到具體CPU的專用子目錄，如asm-i386等。除此之外，還有通用的子目錄linux、net等,內(nèi)核源代碼樹(shù) (3),(7) init: 內(nèi)核引導(dǎo)和初始化過(guò)程，包括main.c，version.c等文件 (8) ipc：進(jìn)程間通信 (9) kernel :進(jìn)程管理

21、和調(diào)度 (10) lib: 通用的工具性子程序，如對(duì)出錯(cuò)信息的處理等 (11) mm:內(nèi)存管理子系統(tǒng)和VM (12) net: 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng) (13) scripts: 編譯內(nèi)核所用的腳本,內(nèi)核源代碼樹(shù) (4),(14) security: Linux安全模塊 (15) sound: 語(yǔ)音子系統(tǒng) (16) usr: 早期用戶空間代碼 (17) CPOYING: 有關(guān)GPL的具體說(shuō)明 (18) README: Linux內(nèi)核安裝和使用的簡(jiǎn)要說(shuō)明 (19) Makefile: 重構(gòu)Linux內(nèi)核可執(zhí)行代碼的make文件,1.5 編譯內(nèi)核,為什么要重新編譯內(nèi)核？ Linux作為一個(gè)自由軟件，在廣大愛(ài)好

22、者的支持下，內(nèi)核版本不斷更新。新的內(nèi)核修訂了舊內(nèi)核的bug，并增加了許多新的特性。如果用戶想要使用這些新特性，或想根據(jù)自己的系統(tǒng)度身定制一個(gè)更高效、更穩(wěn)定的內(nèi)核，就需要重新編譯內(nèi)核。 通常，更新的內(nèi)核會(huì)支持更多的硬件，具備更好的進(jìn)程管理能力，運(yùn)行速度更快、更穩(wěn)定，并且一般會(huì)修復(fù)老版本中發(fā)現(xiàn)的許多漏洞等，經(jīng)常性地選擇升級(jí)更新的系統(tǒng)內(nèi)核是Linux使用者的必要操作內(nèi)容。,設(shè)置內(nèi)核編譯配置選項(xiàng),為了正確的合理地設(shè)置內(nèi)核編譯配置選項(xiàng)，從而只編譯系統(tǒng)需要的功能的代碼，一般主要有下面四個(gè)考慮： 自己定制編譯的內(nèi)核運(yùn)行更快（具有更少的代碼） 系統(tǒng)將擁有更多的內(nèi)存（內(nèi)核部分將不會(huì)被交換到虛擬內(nèi)存中） 不需要的

23、功能編譯進(jìn)入內(nèi)核可能會(huì)增加被系統(tǒng)攻擊者利用的漏洞 將某種功能編譯為模塊方式會(huì)比編譯到內(nèi)核中的方式速度要慢一些,內(nèi)核編譯模式,要增加對(duì)某部分功能（比如網(wǎng)絡(luò)）的支持，可以把相應(yīng)部分編譯到內(nèi)核中（build-in），也可以把該部分編譯成模塊（module），動(dòng)態(tài)調(diào)用。 如果編譯到內(nèi)核中，在內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)就可以自動(dòng)支持相應(yīng)部分的功能，這樣的優(yōu)點(diǎn)是方便、速度快，機(jī)器一啟動(dòng)，你就可以使用這部分功能了；缺點(diǎn)是會(huì)使內(nèi)核變得龐大起來(lái)，不管你是否需要這部分功能，它都會(huì)存在，這就是Windows慣用的招數(shù)，建議經(jīng)常使用的部分直接編譯到內(nèi)核中，比如網(wǎng)卡。 如果編譯成模塊，就會(huì)生成對(duì)應(yīng)的.o文件，在使用的時(shí)候可以動(dòng)態(tài)加載，優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)使內(nèi)核過(guò)分龐大，缺點(diǎn)是你得自己來(lái)調(diào)用這些模塊。,安裝內(nèi)核源代碼,編譯內(nèi)核需要root權(quán)限，以下操作都假定你是root用戶。 把新版本的內(nèi)核（以linux-2.4.33.tar.bz2為例）拷貝到/usr/src/下，并解壓，命令為： tar