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[導(dǎo)讀]關(guān)注、星標公眾號，直達精彩內(nèi)容來源：冰凌塊兒開篇學(xué)習內(nèi)核，每個人都有自己的學(xué)習方法，仁者見仁智者見智。以下是我在學(xué)習過程中總結(jié)出來的東西，對自身來說，我認為比較有效率，拿出來跟大家交流一下。內(nèi)核學(xué)習，一偏之見；疏漏難免，懇請指正。為什么寫這篇博客剛開始學(xué)內(nèi)核的時候，不要執(zhí)著于一個...

關(guān)注、星標公眾號，直達精彩內(nèi)容

來源：冰凌塊兒

開篇

學(xué)習內(nèi)核，每個人都有自己的學(xué)習方法，仁者見仁智者見智。以下是我在學(xué)習過程中總結(jié)出來的東西，對自身來說，我認為比較有效率，拿出來跟大家交流一下。

內(nèi)核學(xué)習，一偏之見；疏漏難免，懇請指正。

為什么寫這篇博客

剛開始學(xué)內(nèi)核的時候，不要執(zhí)著于一個方面，不要專注于一個子系統(tǒng)就一頭扎到實際的代碼行中去，因為這樣的話，牽涉的面會很廣，會碰到很多困難，容易產(chǎn)生挫敗感，一個函數(shù)體中（假設(shè)剛開始的時候正在學(xué)習某個方面的某個具體的功能函數(shù)）很可能摻雜著其他各個子系統(tǒng)方面設(shè)計理念（多是大量相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者全局變量，用于支撐該子系統(tǒng)的管理工作）下相應(yīng)的代碼實現(xiàn)，這個時候看到這些東西，紛繁蕪雜，是沒有頭緒而且很不理解的，會產(chǎn)生很多很多的疑問，（這個時候如果對這些疑問糾纏不清，刨根問底，那么事實上就是在學(xué)習當前子系統(tǒng)的過程中頻繁的去涉足其他子系統(tǒng)，這時候注意力就分散了），而事實上等了解了各個子系統(tǒng)后再回頭看這些東西的話，就簡單多了，而且思路也會比較清晰。所以，要避免 “只見樹木，不見森林”，不要急于深入到底層代碼中去，不要過早研究底層代碼。

我在大二的時候剛開始接觸內(nèi)核，就犯了這個錯誤，一頭扎到內(nèi)存管理里頭，去看非常底層的實現(xiàn)代碼，雖然也是建立在內(nèi)存管理的設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，但是相對來說，比較孤立，因為此時并沒有學(xué)習其它子系統(tǒng)，應(yīng)該說無論是視野還是思想，都比較狹隘，所以代碼中牽涉到的其它子系統(tǒng)的實現(xiàn)我都直接跳過了，這一點還算聰明，當然也是迫不得已的。

我的學(xué)習方法

剛開始，我認為主要的問題在于你知道不知道，而不是理解不理解，某個子系統(tǒng)的實現(xiàn)采用了某種策略、方法，而你在學(xué)習中需要做的就是知道有這么一回事兒，然后才是理解所描述的策略或者方法。

根據(jù)自己的學(xué)習經(jīng)驗，剛開始學(xué)習內(nèi)核的時候，我認為要做的是在自己的腦海中建立起內(nèi)核的大體框架，理解各個子系統(tǒng)的設(shè)計理念和構(gòu)建思想，這些理念和思想會從宏觀上呈獻給你清晰的脈絡(luò)，就像一個去除了枝枝葉葉的大樹的主干，一目了然；當然，肯定還會涉及到具體的實現(xiàn)方法、函數(shù)，但是此時接觸到的函數(shù)或者方法位于內(nèi)核實現(xiàn)的較高的層次，是主（要）函數(shù)，已經(jīng)了解到這些函數(shù)，針對的是哪些設(shè)計思想，實現(xiàn)了什么樣的功能，達成了什么樣的目的，混個臉熟的說法在這兒也是成立的。至于該主函數(shù)所調(diào)用的其它的輔助性函數(shù)就等同于枝枝葉葉了，不必太早就去深究。此時，也就初步建立起了內(nèi)核子系統(tǒng)框架和代碼實現(xiàn)之間的關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)其實很簡單，比如一看到某個函數(shù)名字，就想起這個函數(shù)是針對哪個子系統(tǒng)的，實現(xiàn)了什么功能。

我認為此時要看的就是LKD3，這本書算是泛泛而談，主要就是從概念，設(shè)計，大的實現(xiàn)方法上描述各個子系統(tǒng)，而對于具體的相關(guān)的函數(shù)實現(xiàn)的代碼講解很少涉及(對比于ULK3，此書主要就是關(guān)于具體函數(shù)代碼的具體實現(xiàn)的深入分析，當然，你也可以看，但是過早看這本書，會感覺很痛苦，很枯燥無味，基本上都是函數(shù)的實現(xiàn))，很少，但不是沒有，這就很好，滿足我們當前的需求，還避免我們過早深入到實際的代碼中去。而且本書在一些重要的點上還給出了寫程序時的注意事項，算是指導(dǎo)性建議。主要的子系統(tǒng)包括：內(nèi)存管理，進程管理和調(diào)度，系統(tǒng)調(diào)用，中斷和異常，內(nèi)核同步，時間和定時器管理，虛擬文件系統(tǒng)，塊I/O層，設(shè)備和模塊。（這里的先后順序其實就是LKD3的目錄的順序）。

我學(xué)習的時候是三本書交叉著看的，先看LKD3，專于一個子系統(tǒng)，主要就是了解設(shè)計的原理和思想，當然也會碰到對一些主要函數(shù)的介紹，但大多就是該函數(shù)基于前面介紹的思想和原理完成了什么樣的功能，該書并沒有就函數(shù)本身的實現(xiàn)進行深入剖析。然后再看ULK3和PLKA上看同樣的子系統(tǒng)，但是并不仔細分析底層具體函數(shù)的代碼，只是粗略地、不求甚解地看，甚至不看。因為，有些時候，在其中一本書的某個點上，卡殼了，不是很理解了，在另外的書上你可能就碰到對同一個問題的不同角度的描述，說不準哪句話就能讓你豁然開朗，如醍醐灌頂。我經(jīng)常碰到這種情況。

并不是說學(xué)習過程中對一些函數(shù)體的實現(xiàn)完全就忽略掉，只要自己想徹底了解其代碼實現(xiàn)，沒有誰會阻止你。我是在反復(fù)閱讀過程中慢慢深入的。比如VFS中文件打開需要對路徑進行分析，需要考慮的細節(jié)不少(.././之類的)，但是其代碼實現(xiàn)是很好理解的。再比如，CFS調(diào)度中根據(jù)shedule latency、隊列中進程個數(shù)及其nice值(使用的是動態(tài)優(yōu)先級)計算出分配給進程的時間片，沒理由不看的，這個太重要了，而且也很有意思。

ULK3也會有設(shè)計原理與思想之類的概括性介紹，基本上都位于某個主題的開篇段落。但是更多的是對支持該原理和思想的主要函數(shù)實現(xiàn)的具體分析，同樣在首段，一句話綜述函數(shù)的功能，然后對函數(shù)的實現(xiàn)以1、2、3，或者a、b、c步驟的形式進行講解。我只是有選擇性的看，有時候?qū)φ罩胹ource insight打開的源碼，確認一下代碼大體上確實是按書中所描述的步驟實現(xiàn)的，就當是增加感性認識。由于步驟中摻雜著各種針對不同實現(xiàn)目的安全性、有效性檢查，如果不理解就先跳過。這并不妨礙你對函數(shù)體功能實現(xiàn)的整體把握。

PLKA介于LKD3和ULK3之間。我覺得PLKA的作者（看照片，真一德國帥小伙，技術(shù)如此了得）肯定看過ULK，無論他的本意還是有意，總之PLKA還是跟ULK有所不同，對函數(shù)的仔細講解都做補充說明，去掉函數(shù)體中邊邊角角的情況，比如一些特殊情況的處理，有效性檢查等，而不妨礙對整個函數(shù)體功能的理解，這些他都有所交代，做了聲明；而且，就像LKD3一樣，在某些點上也給出了指導(dǎo)性編程建議。作者們甚至對同一個主要函數(shù)的講解的著重點都不一樣。這樣的話，對我們學(xué)習的人而言，有助于加深理解。另外，我認為很重要的一點就是PLKA針對的2.6.24的內(nèi)核版本，而ULK是2.6.11，LKD3是2.6.34。在某些方面PLKA比較接近現(xiàn)代的實現(xiàn)。其實作者們之所以分別選擇11或者24，都是因為在版本發(fā)行樹中，這兩個版本在某些方面都做了不小的變動，或者說是具有標志性的轉(zhuǎn)折點（這些信息大多是在書中的引言部分介紹的，具體的細節(jié)我想不起來了）。

Intel V3，針對X86的CPU，本書自然是系統(tǒng)編程的權(quán)威。內(nèi)核部分實現(xiàn)都可以在本書找到其根源。所以，在讀以上三本書某個子系統(tǒng)的時候，不要忘記可以在V3中相應(yīng)章節(jié)找到一些基礎(chǔ)性支撐信息。

在讀書過程中，會產(chǎn)生相當多的疑問，這一點是確信無疑的。大到搞不明白一個設(shè)計思想，小到不理解某行代碼的用途。各個方面，各種疑問，你完全可以把不理解的地方都記錄下來(不過，我并沒有這么做，沒有把疑問全部記下來，只標記了很少一部分我認為很關(guān)鍵的幾個問題)，專門寫到一張紙上，不對，一個本上，我確信會產(chǎn)生這么多的疑問，不然內(nèi)核相關(guān)的論壇早就可以關(guān)閉了。其實，大部分的問題（其中很多問題都是你知道不知道有這么一回事的問題）都可以迎刃而解，只要你肯回頭再看，書讀百遍，其義自現(xiàn)。多看幾遍，前前后后的聯(lián)系明白個七七八八是沒有問題的。我也這么做了，針對某些子系統(tǒng)也看了好幾遍，切身體會。

當你按順序?qū)W習這些子系統(tǒng)的時候，前面的章節(jié)很可能會引用后面的章節(jié)，就像PLKA的作者說的那樣，完全沒有向后引用是不可能的，他能做的只是盡量減少這種引用而又不損害你對當前問題的理解。不理解，沒關(guān)系，跳過就行了。后面的章節(jié)同樣會有向前章節(jié)的引用，不過這個問題就簡單一些了，你可以再回頭去看相應(yīng)的介紹，當時你不太理解的東西，很可能這個時候就知道了它的設(shè)計的目的以及具體的應(yīng)用。不求甚解只是暫時的。比如說，內(nèi)核各個子系統(tǒng)之間的交互和引用在代碼中的體現(xiàn)就是實現(xiàn)函數(shù)穿插調(diào)用，比如你在內(nèi)存管理章節(jié)學(xué)習了的內(nèi)存分配和釋放的函數(shù)，而你是了解內(nèi)存在先的，在學(xué)習驅(qū)動或者模塊的時候就會碰到這些函數(shù)的調(diào)用，這樣也就比較容易接受，不至于太過茫然；再比如，你了解了系統(tǒng)時間和定時器的管理，再回頭看中斷和異常中bottom half的調(diào)度實現(xiàn)，你對它的理解就會加深一層。

子系統(tǒng)進行管理工作需要大量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。子系統(tǒng)之間交互的一種方式就是各個子系統(tǒng)各自的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過指針成員相互引用。學(xué)習過程中，參考書上在講解某個子系統(tǒng)的時候會對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中主要成員的用途解釋一下，但肯定不會覆蓋全部（成員比較多的情況，例如task_struct），對其它子系統(tǒng)基于某個功能實現(xiàn)的引用可能解釋了，也可能沒做解釋，還可能說這個變量在何處會做進一步說明。所以，不要糾結(jié)于一個不理解的點上，暫且放過，回頭還可以看的。之間的聯(lián)系可以在對各個子系統(tǒng)都有所了解之后再建立起來。其實，我仍然在強調(diào)先理解概念和框架的重要性。

等我們完成了建立框架這一步，就可以選擇一個比較感興趣的子系統(tǒng)，比如驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)，或者文件系統(tǒng)之類的。這個時候你再去深入了解底層代碼實現(xiàn)，相較于一開始就鉆研代碼，更容易一些，而且碰到了不解之處，或者忘記了某個方面的實現(xiàn)，此時你完全可以找到相應(yīng)的子系統(tǒng)，因為你知道在哪去找，查漏補缺，不僅完成了對當前函數(shù)的鉆研，而且可以回顧、溫習以前的內(nèi)容，融會貫通的時機就在這里了。

《深入理解linux虛擬內(nèi)存》(2.4內(nèi)核版本)，LDD3，《深入理解linux網(wǎng)絡(luò)技術(shù)內(nèi)幕》，幾乎每一個子系統(tǒng)都需要一本書的容量去講解，所以說，剛開始學(xué)習不宜對某個模塊太過深入，等對各個子系統(tǒng)都有所了解了，再有針對性的去學(xué)習一個特定的子系統(tǒng)。這時候?qū)ζ渌到y(tǒng)的援引都可以讓我們不再感到茫然、復(fù)雜，不知所云。

比如，LDD3中的以下所列章節(jié)：構(gòu)造和運行模塊，并發(fā)和競態(tài)，時間、延遲及延緩操作,分配內(nèi)存，中斷處理等，都屬于驅(qū)動開發(fā)的支撐性子系統(tǒng)，雖說本書對這些子系統(tǒng)都專門開辟一個章節(jié)進行講解，但是詳細程度怎么能比得上PLKA，ULK3，LKD3這三本書，看完這三本書，你會發(fā)現(xiàn)讀LDD3這些章節(jié)的時候簡直跟喝白開水一樣，太隨意了，因為LDD3的講解比之LKD3更粗略。打好了基礎(chǔ)，PCI、USB、TTY驅(qū)動，塊設(shè)備驅(qū)動，網(wǎng)卡驅(qū)動，需要了解和學(xué)習的東西就比較有針對性了。這些子系統(tǒng)就屬于通用子系統(tǒng)，了解之后，基于這些子系統(tǒng)的子系統(tǒng)的開發(fā)—驅(qū)動(需進一步針對硬件特性)和網(wǎng)絡(luò)(需進一步理解各種協(xié)議)—相對而言，其學(xué)習難度大大降低，學(xué)習進度大大加快，學(xué)習效率大大提升。說著容易做來難。達到這樣一種效果的前提就是：必須得靜下心來，認真讀書，要看得進去，PLKA，ULK3厚得都跟磚頭塊兒一樣，令人望之生畏，如果沒有興趣，沒有熱情，沒有毅力，無論如何都是不行，因為需要時間，需要很長時間。我并不是說必須打好了基礎(chǔ)才可以進行驅(qū)動開發(fā)，只是說打好了基礎(chǔ)的情況下進行開發(fā)會更輕松，更有效率，而且自己對內(nèi)核代碼的駕馭能力會更強大。這只是我個人見解，我自己的學(xué)習方式，僅供參考。

語言

PLKA是個德國人用德語寫的，后來翻譯成英文，又從英文翻譯成中文，我在網(wǎng)上書店里沒有找到它的紙質(zhì)英文版，所以就買了中文版的。ULK3和LKD3都是英文版的。大牛們寫的書，遣詞造句真的是簡潔，易懂，看原版對我們學(xué)習計算機編程的程序員來說完全不成問題，最好原汁原味。如果一本書確實翻譯地很好，我們當然可以看中文版的，用母語進行學(xué)習，理解速度和學(xué)習進度當然是很快的，不作他想?？从⑽牡臅r候不要腦子里想著把他翻譯成中文，沒必要。

API感想

“比起知道你所用技術(shù)的重要性，成為某一個特別領(lǐng)域的專家是不重要的。知道某一個具體API調(diào)用一點好處都沒有，當你需要他的時候只要查詢下就好了?！边@句話源于我看到的一篇翻譯過來的博客。我想強調(diào)的就是，這句話針應(yīng)用型編程再合適不過，但是內(nèi)核API就不完全如此。

內(nèi)核相當復(fù)雜，學(xué)習起來很不容易，但是當你學(xué)習到一定程度，你會發(fā)現(xiàn)，如果自己打算寫內(nèi)核代碼，到最后要關(guān)注的仍然是API接口，只不過這些API絕大部分是跨平臺的，滿足可移植性。內(nèi)核黑客基本上已經(jīng)標準化、文檔化了這些接口，你所要做的只是調(diào)用而已。當然，在使用的時候，最好對可移植性這一話題在內(nèi)核中的編碼約定爛熟于心，這樣才會寫出可移植性的代碼。就像應(yīng)用程序一樣，可以使用開發(fā)商提供的動態(tài)庫API，或者使用開源API。同樣是調(diào)用API，不同點在于使用內(nèi)核API要比使用應(yīng)用API了解的東西要多出許多。

當你了解了操作系統(tǒng)的實現(xiàn)—這些實現(xiàn)可都是對應(yīng)用程序的基礎(chǔ)性支撐啊—你再去寫應(yīng)用程序的時候，應(yīng)用程序中用到的多線程，定時器，同步鎖機制等等等等，使用共享庫API的時候，聯(lián)系到操作系統(tǒng)，從而把對該API的文檔描述同自己所了解到的這些方面在內(nèi)核中的相應(yīng)支撐性實現(xiàn)結(jié)合起來進行考慮，這會指導(dǎo)你選擇使用哪一個API接口，選出效率最高的實現(xiàn)方式。對系統(tǒng)編程頗有了解的話，對應(yīng)用編程不無益處，甚至可以說是大有好處。

設(shè)計實現(xiàn)的本質(zhì)，知道還是理解

操作系統(tǒng)是介于底層硬件和應(yīng)用軟件之間的接口，其各個子系統(tǒng)的實現(xiàn)很大程度上依賴于硬件特性。書上介紹這些子系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)的時候，我們讀過了，也就知道了，如果再深入考慮一下，為什么整體架構(gòu)要按照這種方式組織，為什么局部函數(shù)要遵循這樣的步驟處理，知其然，知其所以然，如果你知道了某個功能的實現(xiàn)是因為芯片就是這么設(shè)計的，CPU就是這么做的，那么你的疑問也就基本上到此為止了。再深究，就是芯片架構(gòu)方面的設(shè)計與實現(xiàn)，對于程序員來講，無論是系統(tǒng)還是應(yīng)用程序員，足跡探究到這里，已經(jīng)解決了很多疑問，因為我們的工作性質(zhì)偏軟，而這些東西實在是夠硬。

比如，ULK3中講解的中斷和異常的實現(xiàn)，究其根源，那是因為Intel x86系列就是這么設(shè)計的，去看看Intel V3手冊中相應(yīng)章節(jié)介紹，都可以為ULK3中描述的代碼實現(xiàn)方式找到注解。還有時間和定時器管理，同樣可以在Intel V3 對APIC的介紹中獲取足夠的信息，操作系統(tǒng)就是依據(jù)這些硬件特性來實現(xiàn)軟件方法定義的。

又是那句話，不是理解不理解的問題，而是知道不知道的問題。有時候，知道了，就理解了。在整個學(xué)習過程中，知道，理解，知道，理解，知道……，交叉反復(fù)。為什么開始和結(jié)尾都是知道，而理解只是中間步驟呢？世界上萬事萬物自有其規(guī)律，人類只是發(fā)現(xiàn)而已，實踐是第一位的，實踐就是知道的過程，實踐產(chǎn)生經(jīng)驗，經(jīng)驗的總結(jié)就是理論，理論源于實踐，理論才需要理解。我們學(xué)習內(nèi)核，深入研究，搞來搞去，又回到了芯片上，芯片是物質(zhì)的，芯片的功用基于自然界中物質(zhì)本有的物理和電子特性。追本溯源，此之謂也。

動手寫代碼

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。只看書是絕對不行的，一定要結(jié)合課本給出的編程建議自己敲代碼。剛開始就以模塊形式測試好了，或者自己編譯一個開發(fā)版本的內(nèi)核。一臺機器的話，使用UML方式調(diào)試，內(nèi)核控制路走到哪一步，單步調(diào)試看看程序執(zhí)行過程，比書上的講解更直觀明了。一定要動手實際操作。

參考書

LDD3 Linux Device Driver 3rd

LKD3 Linux Kernel Development 3rd

ULK3 Understanding the Linux Kernel 3rd

PLKA Professional Linux Kernel Architecture

UML User Mode Linux

Intel V3 Intel? 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 3 (3A, 3B