Linux操作系统源代码详细分析.pdf

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1、linux源代码分析:Linux操作系统源代码详细分析 疯狂代码 http:/CrazyC 内容介绍:Linux 拥有现代操作系统所有功能如真正抢先式多任务处理、支持多用户内存保护虚拟内存支持SMP、UP符合POSIX标准联网、图形用户接口和桌面环境具有快速性、稳定性等特点本书通过分析Linux内核源代码充分揭示了Linux作为操作系统内核是如何完成保证系统正常运行、协调多个并发进程、管理内存等工作现实中能让人自由获取系统源代码并不多通过本书学习将大大有助于读者编写自己新 第部分 Linux 内核源代码 arch/i386/kernel/entry.S 2 arch/i386/kernel/i

2、nit_task.c 8 arch/i386/kernel/irq.c 8arch/i386/kernel/irq.h 19 arch/i386/kernel/process.c 22 arch/i386/kernel/signal.c 30arch/i386/kernel/smp.c 38 arch/i386/kernel/time.c 58 arch/i386/kernel/traps.c 65arch/i386/lib/delay.c 73 arch/i386/mm/fault.c 74 arch/i386/mm/init.c 76 fs/binfmt-elf.c 82fs/binfmt

3、_java.c 96 fs/exec.c 98/asm-generic/smplock.h 107 /asm-i386/atomic.h 108/asm-i386/current.h 109/asm-i386/dma.h 109/asm-i386/elf.h 113 /asm-i386/hardirq.h 114/asm-i386/page.h 114/asm-i386/pgtable.h 115/asm-i386/ptrace.h 122/asm-i386/semaphore.h 123/asm-i386/shmparam.h 124 /asm-i386/sigcontext.h 125/a

4、sm-i386/siginfo.h 125/asm-i386/signal.h 127/asm-i386/smp.h 130/asm-i386/softirq.h 132/asm-i386/spinlock.h 133 /asm-i386/system.h 137/asm-i386/uaccess.h 139/binfmts.h 146/capability.h 147/linux/elf.h 150/linux/elfcore.h 156/linux/errupt.h 157/linux/kernel.h 158/linux/kernel_stat.h 159/linux/limits.h

5、160/linux/mm.h 160/linux/module.h 164/linux/msg.h 168/linux/personality.h 169/linux/reboot.h 169/linux/resource.h170/linux/sched.h 171/linux/sem.h 179/linux/shm.h 180/linux/signal.h 181/linux/slab.h 184/linux/smp.h 184/linux/smp_lock.h 185/linux/swap.h 185/linux/swapctl.h 187/linux/sysctl.h 188/linu

6、x/tasks.h 194/linux/time.h 194/linux/timer.h 195/linux/times.h 196/linux/tqueue.h 196/linux/wait.h 198 init/.c 198 init/version.c 212 ipc/msg.c 213 ipc/sem.c 218 ipc/shm.c 227 ipc/util.c236 kernel/capability.c 237 kernel/dma.c 240 kernel/exec_do.c 241 kernel/exit.c 242 kernel/fork.c 248kernel/info.c

7、 255 kernel/itimer.c 255 kernel/kmod.c 257 kernel/module.c 259 kernel/panic.c 270kernel/prk.c 271 kernel/sched.c 275 kernel/signal.c 295 kernel/softirq.c 307 kernel/sys.c 307kernel/sysctl.c 318 kernel/time.c 330 mm/memory.c 335 mm/mlock.c 345 mm/mmap.c 348mm/mprotect.c 358 mm/mremap.c 361 mm/page_al

8、loc.c 363 mm/page_io.c 368 mm/slab.c 372mm/swap.c 394 mm/swap_state.c 395 mm/swapfile.c 398 mm/vmalloc.c 406 mm/vmscan.c 409 第 2部分 Linux 内核源代码分析 第1章 Linux 介绍 让用户很详细地了解大多数现有操作系统实际工作方式是不可能大多数操作系统源代码都是严格保密除了些研究用及为操作系统教学而设计系统外尽管研究和教学目都很好但是这类系统很少能够通过对正式操作系统小部分实现来体现操作系统实际功能对于操作系统些特殊问题这种折衷系统所能够表现就更是少得可怜了 在

9、以实际使用为目标操作系统中让任何人都可以自由获取系统源代码无论目是要了解、学习还是改进这样现实系统并不多本书主题就是这些少数操作系统中个:Linux Linux工作方式类似于Uinx它是免费源代码也是开放符合标准规范标准32位(在64位CPU上是64位)操作系统Linux拥有现代操作系统所具有内容例如:*真正抢先式多任务处理支持多用户 *内存保护 *虚拟内存 *支持对称多处理机SMP(symmetric multiprocessing)即多个CPU机器以及通常单CPU(UP)机器 *符合POSIX标准 *联网 *图形用户接口和桌面环境(实际上桌面环境并不只个)*速度和稳定性 严格说来Linux

10、并不是个完整操作系统当我们在安装通常所说Linux时我们实际安装是很多工具集合这些工具协同工作以组成个功能强大实用系统Linux本身只是这个操作系统内核是操作系统心脏、灵魂、指挥中心(整个系统应该称为GNU/Linux其原因在本章后续内容中将会给以介绍)内核以独占方式执行最底层任务保证系统正常运行协调多个并发进程管理进程使用内存使它们相互的间不产生冲突满足进程访问磁盘请求等等 在本书中我们给大家揭示就是Linux是如何完成这具有挑战性工作 1.1 Linux和Unix简明历史 为了让大家对本书所讨论内容有更清楚了解让我们先来简要回顾下Linux历史由于Linux是在Unix基础上发展而来我们话

11、题就从Unix开始 Unix是由AT&T贝尔实验室KenThompson和Dennis Ritchie于1969年在台已经废弃了PDP-7上开发；它最初是个用汇编语言写成单用户操作系统不久Thompson和Ritchie成功地说服管理部门为他们购买更新机器以便该开发小组可以实现个文本处理系统Unix就在PDP-11上用C语言重新编写(发明C语言部分目就在于此)它果真变成了个文本处理系统不久的后只不过问题是他们先实现了个操作系统而已 最终他们实现了该文本处理工具而且Unix(以及Unix上运行工具)也在AT&T得到广泛应用在1973年Thompson和Ritchie在个操作系统会议上就这个系统发

12、表了篇论文该论文引起了学术界对Unix系统极大兴趣 由于1956年反托拉斯法案限制AT&T不能涉足计算机业务但允许它象征性地收取费用发售该系统就这样Unix被广泛发布首先是学术科研用户后来又扩展到政府和商业用户 伯克利加州大学是学术用户中个在这里Unix得到了计算机系统研究小组(CSRG)广泛应用并且在这里所进行修改引发了Unix大系列这就是广为人知伯克利软件Software开发(BSD)Unix除了AT&T所提供Unix系列的外BSD是最有影响力Unix系列BSD在Unix中增加了很多显著特性例如TCP/IP网络更好用户文件系统(UFS)工作控制并且改进了AT&T内存管理代码 多年以来BSD

13、版本Unix直在学术环境中占据主导地位但最终发展成为 V版本AT&TUnix则成为商业领域领头羊从某种程度上来说这是有社会原因:学校倾向于使用非正式但通常更好用BSD风格Unix而商业界则倾向于从AT&T获取Unix 在用户需求和用户编程改进特性促进下BSD风格Unix般要比AT&TUnix更具有创新性而且改进也更为迅速但是在AT&T发布最后个正式版本 V Release 4(SVR4)时 V Unix已经吸收了BSD大多数重要优点并且还增加了些自己优势这部分由于从1984年开始AT&T逐渐可以将Unix商业化而伯克利Unix开发工作在1993年BSD4.4版本完成以后就逐渐收缩以至终止了然而

14、BSD进步改进由外界开发者延续下来到今天还在继续进行正在进行Unix系列开发中至少有 4个独立版本是直接起源于BSD4.4这还不包括几个厂商Unix版本例如惠普HP-UX都是部分地或者全部基于BSD而发展起来 实际上Unix变种并不止BSD和 V由于Unix主要使用C语言来编写这就使得它移植到新机器上相对比较容易它简单性也使其重新设计和开发相对比较容易Unix这些特点大受商业界硬件供应商欢迎比如Sun、SGI、HP、IBM、DEC、Amdahl等等；IBM还不止次对Unix进行了再开发厂商们设计开发出新硬件并简单地将Unix移植到新硬件上这样新硬件经发布便具备定功能经过段时间的后这些厂商都拥有

15、了自己专有Unix版本而且为了占有市场这些版本故意以区别侧重点发布出来以更好地占有用户版本混乱状态促进了标准化工作进行其中最主要就是POSIX系列标准它定义了套标准操作系统接口和工具从理论上说POSIX标准代码很容易移植到任何遵守POSIX标准操作系统中而且严格POSIX测试已经把这种理论上可移植性转化为现实直到今天几乎所有正式操作系统都以支持POSIX标准为目标 现在让我们回顾下在1984年杰出电脑黑客Richard Stallman独立开发出个类Unix操作系统该操作系统具有完全内核、开发工具和终端用户应用在GNU(“GNU誷 Not Unix”首字母缩写)计划配合下Stallman开发这

16、个产品有自己技术理想:他想开发出个质量高而且自由操作系统Stallman使用了“自由”(free)这个词不仅意味着用户可以免费获取软件Software；而且更重要是它将意味着某种程度“解放”:用户可以自由使用、拷贝、查询、重用、修改甚至是分发这份软件Software完全没有软件Software使用限制这也正是Stallman创建自由软件Software基金会(FSF)资助GNU软件Software开发本意(FSF也在资助其他科研方面开发工作)15年来GNU工程已经吸收、产生了大量这不仅包括Emacs、gcc(GNUC编译器)、bash(shell命令)还有大部分Linux用户所熟知许多应用现在

17、正在进行开发项目是GNU Hurd内核这是GNU操作系统最后个主要部件(实际上Hurd内核早已能够使用了不过当前版本号为0.3系统在什么时候能够完成还是未知数)尽管Linux大受欢迎但是Hurd内核还在继续开发原因有几个方面其是Hurd体系结构十分清晰地体现了Stallman有关操作系统工作方式思想例如在运行期间任何用户都可以部分地改变或替换Hurd(这种替换不是对每个用户都是可见而是只对申请修改用户可见而且还必须符合规范标准)另个原因是据介绍Hurd对于多处理器支持比Linux本身内核要好还有个简单原因是兴趣驱动员们希望能够自由地进行自己所喜欢工作只要有人希望为Hurd工作Hurd开发就不会

18、停止如果他们能够如愿以偿Hurd有朝日将成为Linux强劲对手不过在今天Linux还是自由内核王国里无可争议统治者 在GNU发展中期也就是1991年个名叫Linus Torvalds芬兰大学生想要了解Intel新CPU80386他认为比较好学习思路方法是自己编写个操作系统内核出于这种目加上他对当时Unix变种版本对于80386类机器脆弱支持十分不满他决定要开发出个全功能、支持POSIX标准、类Unix操作系统内核该系统吸收了BSD和 V优点同时摒弃了它们缺点Linus(虽然我知道我应该称他为Torvalds但是所有人都称他为Linus)独立把这个内核开发到0.02版这个版本已经可以运行gcc、

19、bash和很少些应用这些就是他开始全部工作了后来他又开始在因特网上寻求广泛帮助 不到 3年LinusUnixLinux已经升级到1.0版本它源代码量也呈指数形式增长实现了基本TCP/IP功能(网络部分代码后来重写过而且还可能会再次重写)此时Linux就已经拥有大约10万用户了 现在Linux内核由150多万行代码组成Linux也已经拥有了大约1000万用户(由于Linux可以自由获取和拷贝获取具体统计数字是不可能)Linux内核GNU/Linux附同GNU工具已经占据了Unix 50%市场些公司正在把内核和些应用同安装软件Software打包在起生产出Linux发行版本这些公司包括Red Ha

20、t和Caldera 公司现在GNU/Linux已经备受瞩目得到了诸如Sun、IBM、SGI等公司广泛支持SGI最近决定在其基于IntelMerced系列机器上不再搭载自己Unix变种版本IRIX而是直接采用GNU/Linux；Linux甚至被指定为Amiga将要发布新操作系统基础 1.2 GNU通用公共许可证 这样个如此流行操作系统当然值得我们学习按照通用公共许可证(GPLGeneralPublic License)规定Linux源代码可以自由获取这满足了我们学习该系统强烈愿望GPL这份非同寻常软件Software许可证充分体现了上面提到Stallman思想:只要用户所做修改是同等自由用户可以

21、自由地使用、拷贝、查询、重用、修改甚至重新发布这个软件Software通过这种方式GPL保证了Linux(以及同许可证保证下大量其他软件Software)不仅现在自由可用而且以后经过任何修改的后都仍然可以自由使用 请注意这里自由并不是说没有人靠这个软件Software盈利有些日益兴起公司比如发行最流行Linux发行版本Red Hat就是个例子(RedHat自从上市以来市值已经突破数十亿美元每年盈利数十万美元而且这些数字还在不断增长)但是任何人都不能限制其他用户涉足本软件Software领域而且所做修改不能减少其自由程度 本书附录B中收录了GNU通用公共许可证全文 1.3 Linux开发过程 如

22、上所述由于Linux是个自由软件Software它可以免费获取以供学习研究Linux的所以值得学习研究是它是相当优秀操作系统如果Linux操作系统相当糟糕那它就根本不值得我们使用也就没有必要去研究相关书籍Linux是个十分优秀操作系统还在于几个相互关联原因 原因的在于它是基于天才思想开发而成在学生时代就开始推动整个系统开发Linus Torvalds是个天才他才能不仅展现在编程能力方面而且组织窍门技巧也相当杰出Linux内核是由世界上些最优秀员开发并不断完善他们通过Internet相互协作开发理想操作系统；他们享受着工作中乐趣而且也获得了充分自豪感 Linux优秀另外个原因在于它是基于组优秀概

23、念Unix是个简单却非常优秀模型在Linux创建的前Unix已经有20年发展历史Linux从Unix各个流派中不断吸取成功经验模仿Unix优点抛弃Unix缺点这样做结果是Linux 成为了Unix系列中佼佼者:高速、健壮、完整而且抛弃了历史包袱 然而Linux最强大生命力还在于其公开开发过程每个人都可以自由获取内核源每个人都可以对源加以修改而后他人也可以自由获取你修改后源如果你发现了缺陷你可以对它进行修正而不用去乞求不知名公司来为你修正如果你有什么最优化或者新特点创意你也可以直接在系统中增加功能而不用向操作系统供应商解释你想法指望他们将来会增加相应功能当发现个漏洞后你可以通过编程来弥补这个漏洞

24、而不用关闭系统直到你供应商为你提供修补由于你拥有直接访问源代码能力你也可以直接阅读代码来寻找缺陷或是效率不高代码或是安全漏洞以防患于未然 除非你是个员否则这点听起来仿佛没有多少吸引力实际上即使你不是员这种开发模型也将使你受益匪浅这主要体现在以下两个方面:*可以间接受益于世界各地成千上万员随时进行改进工作 *如果你需要对系统进行修改你可以雇用员为你完成工作这部分人将根据你需求定义单独为你服务可以设想这在源不公开操作系统中将是什么样子Linux这种独特自由流畅开发模型已被命名为bazaar(集市模型)它是相对于cathedral(教堂)模型而言在cathedral模型中源代码被锁定在个保密小范围内

25、只有开发者(很多情况下是市场)认为能够发行个新版本这个新版本才会被推向市场这些术语在Eric S.Raymond教堂和集市(The Cathedral and the Bazaar)文中有所介绍大家可以在http:/www.tuxedo.org/esr/writings/找到这篇文章bazaar开发模型通过重视实验征集并充分利用早期反馈对巨大数量脑力资源进行平衡配置可以开发出更优秀软件Software(顺便说下虽然Linux是最为明显使用bazaar开发模型例子但是它却远不是第个使用这个模型系统)为了确保这些无序开发过程能够有序地进行Linux采用了双树系统个树是稳定树(stable tree

26、)另个树是非稳定树(unstable tree)或者开发树(developmenttree)些新特性、实验性改进等都将首先在开发树中进行如果在开发树中所做改进也可以应用于稳定树那么在开发树中经过测试以后在稳定树中将进行相同改进按照Linus观点旦开发树经过了足够发展开发树就会成为新稳定树如此周而复始进行下去 源版本号形式为x.y.z对于稳定树来说y是偶数；对于开发树来说y比相应稳定树大(因此是奇数)截至到本书截稿时最新稳定内核版本号是2.2.10最新开发内核版本号是2.3.12对2.3树缺陷修正会回溯影响(back-propagated)2.2树而当2.3树足够成熟时候会发展成为2.4.0(顺

27、便说下这种开发会比常规惯例要快每版本所包含改变比以前更少了内核开发人员只需花很短时间就能够完成个实验开发周期)http:/www.kernel.org及其镜像站点提供了最新可供内核版本而且同时包括稳定和开发版本如果你愿意话不需要很长时间这些站点所提供最新版本中就可能包含了你部分源代码 第2章 代 码 初 识 本章首先从较高层次介绍Linux内核源概况这些都是大家关心些基本特点随后将简要介绍些实际代码最后介绍如何编译内核 2.1 Linux内核源部分特点 在过去段时期Linux内核同时使用C语言和汇编语言来实现这两种语言需要定平衡:C语言编写代码移植性较好、易于维护而汇编语言编写则速度较快般只有

28、在速度是关键原因或者些因平台相关特性而产生特殊要求(例如直接和内存管理硬件进行通讯)时才使用汇编语言 正如实际中所做即使内核并未使用C对象特性部分内核也可以在g(GNUC编译器)下进行编译同其他面向对象编程语言相比较相对而言C开销是较低但是对于内核开发人员来说这已经是太多了 内核开发人员不断发展编程风格形成了Linux代码独有特色本节将讨论其中些问题 2.1.1 gcc特性使用 Linux内核被设计为必须使用GNUC编译器gcc来编译而不是任何种C编译器都可以使用内核代码有时要使用gcc特性本书将陆续介绍其中部分 些gcc特有代码只是简单地使用gcc语言扩展例如允许在C(不只是C)中使用inl

29、ine关键字指示内联也就是说代码中被在每次时都会被扩充因而就可以节约实际开销 般情况下代码编写方式比较复杂对于某些类型输入gcc能够产生比其他输入效率更高执行代码从理论上讲编译器可以优化具有相同功能两种对等思路方法并且得到相同结果因此代码编写方式是无关紧要但在实际上用某种思路方法编写所产生代码要比用另外些思路方法编写所产生代码执行速度快许多内核开发人员知道怎样才能产生更高效执行代码这不断地在他们编写代码中反映出来 例如考虑内核中经常使用goto语句为了提高速度内核中经常大量使用这种般要避免使用语句在本书中所包含不到40 000行代码中共有500多条goto语句大约是每80行个除汇编文件外精确统

30、计数字是接近每72行个goto语句公平地说这是选择偏向结果:比例如此高原因的是本书中涉及是内核源核心在这里速度比其他原因都需要优先考虑整个内核比例大概是每260行个goto语句然而这仍然是我不再使用Basic进行编程以来见过使用goto频率最高地方 代码必需受特定编译器限制特性不仅和普通应用开发有很大区别而且也区别于大多数内核开发大多数开发人员使用C语言编写代码来保持较高可移植性即使在编写操作系统时也是如此这样做优点是显而易见最为重要点是旦出现更好编译器员们可以随时进行更换 内核对于gcc特性完全依赖使得内核向新编译器上移植更加困难最近Linus对这问题在有关内核邮件列表上表明了自己观点:“记

31、住编译器只是个工具”这是对依赖于gcc特性个很好基本思想表述:编译器只是为了完成工作如果通过遵守标准还不能达到工作要求那么就不是工作要求有问题而是对于标准依赖有问题 在大多数情况下这种观点是不能被人所接受通常情况下为了保证和语言标准致开发人员可能需要牺牲某些特性、速度或者其他相关原因其他选择可能会为后期开发造成很大麻烦 但是在这种特定情况下Linus是正确Linux内核是个特例其执行速度要比向其他编译器可移植性远为重要如果设计目标是编写个可移植性好而不要求快速运行内核或者是编写个任何人都可以使用自己喜欢编译器进行编译内核那么结论就可能会有所区别了；而这些恰好不是Linux设计目标实际上gcc几

32、乎可以为所有能够运行LinuxCPU生成代码因此对于gcc依赖并不是可移植性严重障碍 在第3章中我们将对内核设计目标进行详细介绍说明 2.1.2 内核代码习惯用语 内核代码中使用了些显著习惯用语本节将介绍常用几个当通读源代码时真正重要问题并不在这些习惯用语本身而是这种类型习惯用语确存在而且是不断被使用和发展如果你需要编写内核代码你应该注意到内核中所使用习惯用语并把这些习惯用语应用到你代码中当通读本书(或者代码)时看看你还能找到多少习惯用语 为了讨论这些习惯用语我们首先需要对它们进行命名为了便于讨论笔者创造了这些名字而在实际中大家不定非要参考这些用语它们只是对内核工作方式描述而已 个普通习惯用语

33、笔者称的为“资源获取”(resource acquisition idiom)在这个用语中个必须实现系列资源获取包括内存、锁等等(这些资源类型未必相同)只有成功地获取当前所需要资源的后才能处理后面资源请求最后该还必须释放所有已经获取资源而不必考虑没有获取资源 我采用“变量”这用语(error variable idiom)来辅助介绍说明资源获取用语它使用个临时变量来记录期望返回值当然相当多都能实现这个功能但是变量区别点在于它通常是用来处理由于速度原因而变得非常复杂流程控制中问题变量有两个典型值0(表示成功)和负数(表示有错)如果执行到标号out2则都已经获取了r1和r2资源而且也都需要进行释放

34、如果执行到标号out1(不管是顺序执行还是使用goto语句进行跳转到)则r2资源是无效(也可能刚被释放)但是r1资源却是有效而且必需在此将其释放同理如果标号out能被执行则r1和r2资源都无效err所返回是或成功标志 在这个简单例子中对err些赋值是没有必要在实战中实际代码必须遵守这种模式这样做原因主要在于同行中可能包含有多种测试而这些测试应该返回相同代码因此对变量统赋值要比多次赋值更为简单虽然在这个例子中对于这种属性必要性并不非常迫切但是我还是倾向于保留这种特点有关实际应用可以参考sys_shmctl(第21654行)在第9章中还将详细介绍这个例子 2.1.3 减少#和#def使用 现在Li

35、nux内核已经移植到区别平台上但是我们还必须解决移植过程中所出现问题大部分支持各种区别平台代码由于包含许多预处理代码而已经变得非常不规范标准例如:这个例子试图实现操作系统可移植性虽然Linux关注焦点很明显是实现代码在各种CPU上可移植性但是 2者基本原理是致对于这类问题来说预处理器是种解决方式这些杂乱问题使得代码晦涩难懂更为糟糕是增加对新平台支持有可能要求重新遍历这些杂乱分布低质量代码段(实际上你很难能找到这类代码段全部)和现有方式区别是Linux般通过简单(或者是宏)来抽象出区别平台间差异内核移植可以通过实现适合于相应平台(或宏)来实现这样不仅使代码主体简单易懂而且在移植过程中还可以比较容

36、易地自动检测出你没有注意到内容:如引用未声明时会出现链接有时用预处理器来支持区别体系结构但这种方式并不常用而相对于代码风格变化就更是微不足道了 顺便说下我们可以注意到这种解决思路方法和使用用户对象(或者C语言中充满指针struct结构)来代替离散switch语句处理区别类型思路方法十分相似在某些层次上这些问题和解决思路方法是统 可移植性问题并不仅限于平台和CPU移植编译器也是个重要问题此处为了简化假设Linux只使用gcc来编译由于Linux只使用同个编译器所以就没有必要使用#块(或者#def块)来选择区别编译器 内核代码主要使用#def来区分需要编译或不需要编译部分从而对区别结构提供支持例如

37、代码经常测试SMP宏是否定义过从而决定是否支持SMP机 2.2 代码样例 了解Linux代码风格最好思路方法就是实际研究下它部分代码即使你不完全理解本节所讨论代码细节也无关紧要毕竟本节主要目不是理解代码些读者可以只对本节进行浏览本节主要目是让读者对Linux代码进行初步了解为今后工作提供必要基础该讨论将涉及部分广泛使用内核代码 2.2.1 prk prk(25836行)是内核内部消息日志记录在出现诸如内核检测到其数据结构出现不致事件时内核会使用prk把相关信息打印到系统控制台上对于prk般分为如下几类:*紧急事件(emergency)例如panic(25563行)多次使用了prk当内核检测到发

38、生不可恢复内部时就会panic然后尽其所能地安全关闭计算机这个中prk以提示用户系统将要关闭 *调试从3816行开始#def块使用prk来打印SMP逻辑单元(box)中每个处理器相关配置信息但是此过程只有在使用SMP_DEBUG标志编译代码情况下才能够被执行 *普通信息例如当机器启动时内核必须估计系统速度以确保设备驱动能够忙等待(busy-wait)个精确极短周期计算这种估计值名为calibrate_delay(19654行)它既在19661行使用prk声明马上开始计算又在19693行报告计算结果另外在第4章将详细介绍calibrate_delay 如果你已经浏览过这些参照行你可能已经注意到p

39、rk和prf参数十分类似:个格式化串后跟零个或者多个参数加入串中格式化串可能是以组“”开始这里N是从0到7数字包括0和7在内数字区分了消息日志等级(log level)只有当日志等级高于当前控制台定义日志等级(console_loglevel25650行)时才会打印消息root可以通过适当减小控制台日志等级来过滤不是很紧急消息如果内核在格式化串中检测不到日志等级序列那么就会直打印消息(实际上日志等级序列并不定要在格式化串中出现可以在格式化文本中查找到它代码)从14946行开始#块介绍说明了这些特殊序列这些定义可以帮助者正确区分对prk简单地说我称日志等级0到4为“紧急事件”等级5到等级6为“普

40、通信息”等级7自然就是我所说“调试”(这种分类思路方法并不意味着其他更好分类思路方法没有用处而只是目前我们还不关心它而已)在上面讨论基础上我们研究下代码本身 prk 25836:参数fmt是prf类型格式化串如果你对“.”部分内容不熟悉那就 需要参阅本好C语言参考书(在其索引中查找“变参variadic function”)另外在安装GNU/Linux中stdarg帮助里也包含了个有关变参简明描述在这儿只需要敲入“man stdarg”就可以看到 简单地说“.”部分提示编译器fmt后面可能紧跟着数量不定任何类型参数由于这些参数在编译时候还没有类型和名字内核使用由3个宏va_start、va_a

41、rg和va_end组成特殊组及个特殊类型va_list对它们进行处理 25842:msg_level记录了当前消息日志等级它是静态这看起来可能会有些奇怪为什么下次对prk需要记录日志等级呢？问题答案是只有打印出新行(n)或者赋给个新日志等级序列以后当前消息才会结束这样通过在包含消息结束新行里prk就保证了在多个短期冲突情况下者只打印唯个长消息 25845:在SMP逻辑单元中内核可能试图从区别CPU向控制台同时打印信息(有时在单处理机(UP)逻辑单元中也会发生同样问题但由于中断还未被覆盖掉所以问题也并不十分明显)如果不进行任何协同话结果就将处于完全无法让人了解杂乱无章状态每个消息各个部分都和其他

42、消息各个部分混杂交织在起 相反内核使用旋转锁(spin-lock)来控制对控制台访问旋转锁将在第10章进行深入介绍 如果你对flags 在传送给spin_lock_irqsave的前为什么不对它化感到疑惑请不要担心:spin_lock_irqsave(对于区别版本请分别参看12614行12637行12716行和12837行)是个宏而不是个该宏实际上是将值写入flags中而不是从flags中读出值(在25895行中在flags中信息被spin_unlock_irqrestore回读请参看12616行12639行12728行和12841行)25846:化变量args该变量代表prk参数中“.”部分

43、 25848:内核自身vsprf(为节省空间而省略)实现该功能和标准vsprf非常相似向buf中写入格式化文本(25634行)并返回写入串长度(长度不包括最后位终止0字节)很快你将可以看到为什么这种机制会忽略buf前 3个 (正如25847行注释中所述)我们应该注意到在这里并没有采取严格措施来保证缓冲器不会过载这里系统假定1024个长度buf已经足够使用(参阅25634行)如果内核在这里能够使用vsnprf话情况就会好许多然而vsnprf还有另外个参数限制了它能够写入缓冲器长度 25849:计算buf中最近使用元素va_end终止对“.”参数处理 25851:开始格式化消息循环其中存在个内部循

44、环能够处理更多内容(这点随后就能看到)因此每次内循环开始都开始个新打印行由于通常情况下prk只用于打印单行所以在每次中这种循环通常只执行次 25853:如果预先不知道消息日志等级prk会检查当前行是否以日志等级序列开头25860:如果不是buf中开始未使用 3个就能够起作用了(第次以后每次循环都会覆盖部分消息文本但是这样并不会引起问题这里文本只是前面行中部分它们已经被打印过而且以后也不再需要了)这样就可以将日志等级插入buf中 25866:此处有如下属性:p指向日志等级序列(消息文本紧随其后)msg指向消息文本请注意25852行和25865行中对msg赋值 由于已知p用来指示日志等级序列开头该

45、日志等级序列可能是由自身所创建日志等级可以从p中抽出并存到msg_level中 25868:没有检测到新行清空line_feed标志 25869:这是前面谈到过内循环循环将运行到本行结束(也就是检测到新行标志)或者缓冲器末尾为止 25870:除了将消息打印到控制台的外prk还能够记录最近打印长度为LOG_ BUF_LEN组(LOG_BUF_LEN为16K请参看25632行)如果在控制台打开的前内核就已经prk则显然不能在控制台上正确打印消息但是这些消息将被尽可能地到log_buf中(25656行)当控制台打开以后缓存Cache在log_buf中数据就可以转储并在控制台上打印出来请参看25988

46、行 log_buf是个循环缓冲器log_start和log_size变量(25657行和25646行)分别记录当前缓冲器开始位置和长度本行中按位和(AND)操作实际上是快速求模()运算它正确性依赖于LOG_BUF_LEN值是2幂25872:保存变量跟踪记录循环日志值显然日志大小会不断增长直至达到LOG_BUF_LEN值为止此后log_size将保持不变而插入新将导致log_start增长 25878:请注意logged_chars(25658行)记录从机器启动的后由prk写入所有长度它在每次循环中都会被更新而不是在循环结束后才改变次基于同样道理log_start和log_size处理方式也是样

47、这实际上是种优化时机本书将在结束对介绍的后再对它进行详细讨论 25879:消息被分为若干行这当然要使用新行标志符来进行分割旦内核检测到新行标志符就写入个完整行从而内循环执行也可以提前终止25884:在这里我们先不考虑内部循环是否会提前退出从msg到p序列是专门提供给控制台使用(这种序列我称的为行但是不要忘了这里行可能并不意味着新行终止buf也许还没有终止)如果该行日志等级高于系统控制台定义日志等级而且当前又有控制台可供打印那么就能够正确打印该行(记住prk可能在所有控制台打开的前就已经被过了)如果在该消息块中没有发现日志等级序列并且在前面prk中也没有对msg_level赋值那么本行中msg_

48、level就是-1由于console_loglevel总不小于1(除非root通过sysctl接口锁定)于是总是可以打印这些行25886:本行应该能够被打印prk通过遍历打开控制台驱动链表告知每个控制台驱动去打印当前行设备驱动在本书讨论范围的外因此控制台驱动代码则并不包含在内)25888:请注意这里消息文本开头使用是msg而不是p这样就在没有日志等级序列情况下写入消息了然而日志等级序列已经被存储到log_buf缓冲器中了这样就使后来能够访问log_buf以获取消息日志等级代码(请参看25998行)不会再产生显示混乱信息序列现象 25892:如果内层for循环发现新行那么buf中剩余(如果有话)

49、将被认为是新消息因此msg_level会被重置但是无论怎样外层循环都会持续到buf清空为止 25895:释放在25845行获取控制台锁(console lock)25896:唤醒等待被写入控制台日志所有进程注意即使没有文本被实际写入任何控制台这个过程也仍然会发生这样处理是正确无论是否要往控制台中写入文本等待进程实际上都是在等待从log_buf中读出信息在25748行进程被转入休眠状态以等待log_buf活动在休眠、唤醒和等待队列中所使用机制将在下节中进行讨论 25897:返回日志中写入长度 如果对于每个处理工作都能减少点那么从25869行开始for循环就执行得更快点当循环存在时我们可以通过只在

50、循环退出时将logged_chars更新次来稍微提高运行速度然而我们还可以通过其他努力来提高速度由于我们可以预知消息长度因此log_size和log_start可以到最后再增长让我们来实验下这样能否提高速度下面是段经过理想优化代码:请注意循环通常只需要执行次只有在log_buf末尾写入信息需要折行时才会多次执行因而log_size和log_buf只需要更新次(或者当写入需要换行时是两次)这时速度确提高了但是有两个原因使我们并不能这样做首先内核可能有自己特有memcpy我们必须确保对memcpy不会再次进入对prk(有部分内核移植版定义了自己特有速度较快memcpy版本因此所有移植都要在这点上保