1 Linux内核编译

1.1 配置内核

使用下面命令中的其中一个配置内核：

  1. make config       #（基于文本的最为传统的配置界面， 不推荐使用）
  2. make menuconfig   #（基于文本菜单的配置界面，推荐）
  3. make xconfig      #（要求 QT 被安装）
  4. make gconfig      #（要求 GTK+ 被安装）
  6. # 使用make config、 make menuconfig等命令后， 会生成一个.config配置文件， 记录哪些部分被编译入内核、 哪些部分被编译为内核模块。

内核配置包含的条目相当多， arch/arm/configs/xxx_defconfig文件包含了许多电路板的默认配置。 只需要运行make ARCH=arm xxx_defconfig就可以为xxx开发板配置内核。

linux内核的配置系统有以下3个部分：

  • makefile：分布于各个目录，定义编译规则
  • 配置文件Kconfig：给用户提供配置选择功能
  • 配置工具：命令解释器，配置用户界面等，使用脚本语言完成

下图就是根据各层的Kconfig文件包含的条目生成的配置界面：

1567526784578.png

1.2 编译内核

命令如下：

  1. make ARCH=arm zImage
  2. make ARCH=arm modules

如果ARCH=arm已经作为环境变量导出， 则不再需要在make命令后书写该选项。

执行完上述命令后， 在源代码的根目录下会得到未压缩的内核映像vmlinux和内核符号表文件System.map， 在arch/arm/boot/目录下会得到压缩的内核映像zImage， 在内核各对应目录内得到选中的内核模块。

1.3 如何在内核中增加编译

在Linux内核中增加程序需要完成以下3项工作：

  • 将编写的源代码复制到Linux内核源代码的相应目录中。
  • 在目录的Kconfig文件中增加关于新源代码对应项目的编译配置选项。
  • 在目录的Makefile文件中增加对新源代码的编译条目

内核Makefile语法

目标定义：定义哪些内容要作为模块编译， 哪些要编译并链接进内核

  • obj-y += foo.o: 表示无条件编译foo.o并链接进内核，不受Kconfig文件控制
  • obj-$(CONfiG_ISDN) += isdn.o: 由Kconfig文件配置，对应Kconfig中CONFIG 变量条目。可编译入内核， 可不编译， 也可编译为内核模块， 选项分别为“Y”、 “N”和“M”

除了具有obj-形式的目标以外， 还有lib-y library库、 hostprogs-y主机程序等目标，格式和上面一致。

目录层次的迭代：obj-$(CONfiG_EXT2_FS) += ext2/
当CONFIG_EXT2_FS的值为y或m时， 编译系统将会把ext2目录列入向下迭代的目标中，继续查找下一级makefile。

Kconfig配置选项语法

配置选项格式：大多数内核配置选项都对应Kconfig中的一个配置选项：

  • config关键字： 定义新的配置选项， 之后的几行代码定义了该配置选项的属性。 配置选项的属性包括类型、 数据范围、 输入提示、 依赖关系、 选择关系及帮助信息、 默认值等
  • 每个配置选项都必须指定类型， 类型包括bool、 tristate、 string、 hex和int， 其中tristate和string是两种基本类型，其他类型都基于这两种基本类型
  1. config MODVERSIONS
  2.     bool "Module versioning support"  # 类型输输入提示，也可以使用下面格式，等价
  3.     # bool
  4.     # prompt "Networking support"
  5.     help                              # help信息，靠文本缩进识别结束
  6.         Usually, you have to use modules compiled with your kernel.
  7.         Saying Y here makes it ...
  8.     default <expr> [if <expr>]        # 默认值
  9.     depends on (或者 requires) <expr>   # 依赖关系，多重依赖关系， 它们之间用“&&”间隔
  10.     select <symbol> [if <expr>]       # 反向依赖关系
  11.     range <symbol> <symbol> [if <expr>]  # 数据范围

菜单结构：配置选项在菜单树结构中的位置可由两种方法决定：

  • 处于“menu”和“endmenu”之间的配置选项都会成为“Network device support”的子菜单，子菜单（config） 选项都会继承父菜单（menu） 的依赖关系

    1. menu "Network device support"
    2.   depends on NET
    3. config NETDEVICES
    4.   …
    5. endmenu

  • 通过分析依赖关系生成菜单结构。 如果菜单项在一定程度上依赖于前面的选项， 它就能成为该选项的子菜单。 如果父选项为“n”， 子选项不可见； 如果父选项可见， 子选项才可见

    1. config MODULES
    2.   bool "Enable loadable module support"
    3. config MODVERSIONS   # MODVERSIONS直接依赖MODULES， 只有MODULES不为“n”时， 该选项才可见
    4.   bool "Set version information on all module symbols"
    5.   depends on MODULES
    6. comment "module support disabled"
    7.   depends on !MODULES

引用新的Kconfig文件：使用source关键字

1.4 内核引导

对于CPU0而言， bootrom会去引导bootloader， 而其他CPU则判断自己是不是CPU0， 进入WFI的状态等待CPU0来唤醒它。 CPU0引导bootloader， bootloader引导Linux内核， 在内核启动阶段， CPU0会发中断唤醒CPU1， 之后CPU0和CPU1都投入运行：
1567582841534.png

对于ARm linux，需要把设备树文件dtb和内核镜像绑定在一次启动（参照QEMU启动命令）。

zImage的内核镜像实际上是由没有压缩的解压算法和被压缩的内核组成， bootlaoder会首先解压内核镜像，然后启动init进程，之后整个系统启动，形成一个进程树。

2 内核简介和源码结构

2.1 微内核和宏内核

内核分类 原理 优势 劣势
单内核 整个内核都在一个大内核地址空间上运行 1. 简单；
2. 高效：所有内核都在一个大的地址空间上，所以内核各个功能之间的调用和调用函数类似，几乎没有性能开销		 一个功能的崩溃会导致整个内核无法使用
微内核 内核按功能被划分成各个独立的过程。每个过程独立的运行在自己的地址空间上 安全：内核的各种服务独立运行，一种服务挂了不会影响其他服务 内核各个服务之间的调用涉及进程间的通信，比较复杂且效率低

Linux的内核虽然是基于单内核的，但是经过这么多年的发展，也具备微内核的一些特征。主要有以下特征：

  • 支持动态加载内核模块
  • 支持对称多处理（SMP）
  • 内核可以抢占（preemptive），允许内核运行的任务有优先执行的能力
  • 不区分线程和进程

2.2 源码结构

目录 说明 目录 说明
arch 特定体系结构的代码 block 块设备I/O层
crypo 加密API Documentation 内核源码文档
drivers 设备驱动程序 firmware 使用某些驱动程序而需要的设备固件
fs VFS和各种文件系统 include 内核头文件
init 内核引导和初始化 ipc 进程间通信代码
kernel 像调度程序这样的核心子系统 lib 内核函数，库文件代码
mm 内存管理子系统和VM net 网络子系统
samples 示例，示范代码 scripts 编译内核所用的脚本
security Linux 安全模块，SElinux sound 语音子系统
usr 早期用户空间代码（所谓的initramfs） tools 在Linux开发中有用的工具
virt 虚拟化基础结构

2.3 内核编码风格

Linux有独特的编码风格， 在内核源代码下存在一个文件Documentation/CodingStyle， 进行了比较详细的描述。
内核下的scripts/checkpatch.pl提供了1个检查代码风格的脚本（perl语言）。

3 内核开发特点

  • 无标准C库：为了保证内核的小和高效，内核开发中不能使用C标准库，所以连最常用的printf函数也没有，但是有个printk函数来代替。
  • 使用GNU C：推荐用gcc 4.4或以后的版本来编译内核，因为使用GNU C，所有内核中常使用GNU C中的一些扩展：
  • 没有内存保护：因为内核是最低层的程序，所以如果内核访问的非法内存，那么整个系统都会挂掉！！所以内核开发的风险比用户程序开发的风险要大。而且，内核中的内存是不分页的，每用一个字节的内存，物理内存就少一个字节。所以内核中使用内存一定要谨慎。
  • 不使用浮点数：内核不能完美的支持浮点操作，使用浮点数时，需要人工保存和恢复浮点寄存器及其他一些繁琐的操作。
  • 内核栈容积小且固定：内核栈的大小有编译内核时决定的，对于不用的体系结构，内核栈的大小虽然不一样，但都是固定的。查看内核栈大小的方法：ulimit -a | grep "stack size"
  • 同步和并发：Linux是多用户的操作系统，所以必须处理好同步和并发操作，防止因竞争而出现死锁。
  • 可移植性：Linux内核可用于不同的体系结构，支持多种硬件。所以开发时要时刻注意可移植性，尽量使用体系结构无关的代码。

4 GNU C扩展

在使用gcc编译C程序的时候， 如果使用“-ansi–pedantic”编译选项， 则会告诉编译器不使用GNU扩展语法.

4.1 内联函数

内联函数在编译时会在它被调用的地方展开，减少了函数调用的开销，性能较好。但是，频繁的使用内联函数也会使代码变长，从而在运行时占用更多的内存。

所以内联函数使用时最好要满足以下几点：

  • 函数较小
  • 会被反复调用
  • 对程序的时间要求比较严格。

内联函数示例：static inline void sample();

4.2 内联汇编

内联汇编用于偏近底层或对执行时间严格要求的地方。示例如下：

  1. unsigned int low， high;
  2. asm volatile("rdtsc" : "=a" (low)， "=d" (high));
  3. /* low 和 high 分别包含64位时间戳的低32位和高32位 */

4.3 分支声明

如果能事先判断一个if语句时经常为真还是经常为假，那么可以用unlikely和likely来优化这段判断的代码。

  1. /* 如果error在绝大多数情况下为0(假) */
  2. if (unlikely(error)) {
  3.     /* ... */
  4. }
  6. /* 如果success在绝大多数情况下不为0(真) */
  7. if (likely(success)) {
  8.     /* ... */
  9. }

4.4 零长度和变长数组

GNU C允许使用零长度数组， 在定义变长对象的头结构时， 这个特性非常有用：

  1. struct var_data {
  2.     int len;
  3.     char data[0];  //0长度数组
  4. };
  5. //char data[0]仅仅意味着程序中通过var_data结构体实例的data[index]成员可以访问len之后的第index个地址
  6. //它并没有为data[]数组分配内存， 因此sizeof（struct var_data） =sizeof（int）

GNU C中也可以使用1个变量定义数组， 例如如下代码中定义的“double x[n]”：

  1. int main (int argc, char *argv[])
  2. {
  3.     int i, n = argc;
  4.     double x[n];
  5.     for (i = 0; i < n; i++)
  6.     x[i] = i;
  7.     return 0;
  8. }

4.5 case支持区间范围表示

GNU C支持case x…y这样的语法， 区间[x， y]中的数都会满足这个case的条件：

  1. switch (ch) {
  2. case '0'... '9': c -= '0';
  3.     break;
  4. case 'a'... 'f': c -= 'a' - 10;
  5.     break;
  6. case 'A'... 'F': c -= 'A' - 10;
  7.     break;
  8. }

4.6 语句表达式

GNU C把包含在括号中的复合语句看成是一个表达式， 称为语句表达式， 它可以出现在任何允许表达式的地方。 我们可以在语句表达式中使用原本只能在复合语句中使用的循环、 局部变量等：

  1. #define min_t(type,x,y) \
  2.     ( {type _ _x =(x);type _ _y = (y); _ _x<_ _y _ _x: _ _y; })

4.7 可变宏参数

标准C和GNU C都支持函数的可变参数，格式如下：

  1. int printf( const char *format [, argument]... )

GNU C还额外支持宏定义的可变参数：

  1. #define pr_debug(fmt,arg...) \
  2.     printk(fmt,##arg)
  3. //使用“##”是为了处理arg不代表任何参数的情况， 这时候， 前面的逗号就变得多余了。 使用“##”之后， GNU C预处理器会丢弃前面的逗号

4.8 特殊属性声明

GNU C允许声明函数、 变量和类型的特殊属性， 以便手动优化代码和定制代码检查的方法。 要指定一个声明的属性， 只需要在声明后添加___attribute___（（ATTRIBUTE） ） 。 其中ATTRIBUTE为属性说明， 如果存在多个属性， 则以逗号分隔。

GNU C支持noreturn、 format、 section、 aligned、 packed等十多个属性。:

  • noreturn: 作用于函数， 表示该函数从不返回。 这会让编译器优化代码， 并消除不必要的警告信息。# define ATTRIB_NORET __attribute__((noreturn))
  • format: 也用于函数， 表示该函数使用printf、 scanf或strftime风格的参数， 指定format属性可以让编译器根据格式串检查参数类型。int printk(const char * fmt, ...) __attribute__ ((format (printf, 1, 2)));
  • unused: 作用于函数和变量， 表示该函数或变量可能不会用到， 这个属性可以避免编译器产生警告信息

  • aligned: 用于变量、 结构体或联合体， 指定变量、 结构体或联合体的对齐方式， 以字节为单位

    1. struct example_struct {
    2.   char a;
    3.   int b;
    4.   long c;
    5. } __attribute__((aligned(4)));

  • packed: 作用于变量和类型， 用于变量或结构体成员时表示使用最小可能的对齐， 用于枚举、 结构体或联合体类型时表示该类型使用最小的内存

    1. struct example_struct {
    2.   char a;
    3.   int b;
    4.   long c __attribute__((packed));
    5. };

4.9 内建函数

GNU C提供了大量内建函数， 其中大部分是标准C库函数的GNU C编译器内建版本， 例如memcpy（） 等， 它们与对应的标准C库函数功能相同。
不属于库函数的其他内建函数的命名通常以__builtin开始， 例如：builtin_constant_p（EXP），builtin_expect（EXP， C）。

4.10 do{} while(0) 语句

do{} while(0) 主要用于宏定义：#define SAFE_FREE(p) do{ free(p); p = NULL;} while(0)，保证宏定义的使用者能无编译错误地使用宏， 它不对其使用者做任何假设。

上面的宏用于下面的调用，不会出现问题，不加do/while则会导致else没有对应的if语句，导致编译错误：

  1. if(NULL != p)
  2.     SAFE_DELETE(p)
  3. else
  4.     .../* do something */