Linux操作系统源代码详细分析

1.2 GNU通用公共许可证 网管u家u.bitsCN.com

这样一个如此流行的操作系统当然值得我们学习。按照通用公共许可证(GPL，General Public License)的规定，Linux的源代码可以自由获取，这满足了我们学习该系统的强烈愿望。GPL这份非同寻常的软件许可证，充分体现了上面提到的Stallman的思想：只要用户所做的修改是同等自由的，用户可以自由地使用、拷贝、查询、重用、修改甚至重新发布这个软件。通过这种方式，GPL保证了Linux（以及同一许可证保证下的大量其他软件）不仅现在自由可用，而且以后经过任何修改之后都仍然可以自由使用。

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请注意这里的自由并不是说没有人靠这个软件盈利，有一些日益兴起的公司，比如发行最流行的Linux发行版本的Red Hat就是一个例子（Red Hat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领域，而且所做的修改不能减少其自由程度。 网管bitscn_com

本书的附录B中收录了GNU通用公共许可证协议的全文。 中国网管联盟bitsCN.com

1.3 Linux开发过程

如上所述，由于Linux是一个自由软件，它可以免费获取以供学习研究。Linux之所以值得学习研究，是因为它是相当优秀的操作系统。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的书籍。Linux是一个十分优秀的操作系统还在于几个相互关联的原因。

原因之一在于它是基于天才的思想开发而成的。在学生时代就开始推动整个系统开发的Linus Torvalds是一个天才，他的才能不仅展现在编程能力方面，而且组织技巧也相当杰出。Linux的内核是由世界上一些最优秀的程序员开发并不断完善的，他们通过Internet相互协作，开发理想的操作系统；他们享受着工作中的乐趣，而且也获得了充分的自豪感。 中国网管联盟bitsCN.com

Linux优秀的另外一个原因在于它是基于一组优秀的概念。Unix是一个简单却非常优秀的模型。在Linux创建之前，Unix已经有20年的发展历史。Linux从Unix的各个流派中不断吸取成功经验，模仿Unix的优点，抛弃Unix的缺点。这样做的结果是Linux 成为了Unix系列中的佼佼者：高速、健壮、完整，而且抛弃了历史包袱。 网管网www_bitscn_com

然而，Linux最强大的生命力还在于其公开的开发过程。每个人都可以自由获取内核源程序，每个人都可以对源程序加以修改，而后他人也可以自由获取你修改后的源程序。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的公司来为你修正。如果你有什么最优化或者新特点的创意，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的想法，指望他们将来会增加相应的功能。当发现一个安全漏洞后，你可以通过编程来弥补这个漏洞，而不用关闭系统直到你的供应商为你提供修补程序。由于你拥有直接访问源代码的能力，你也可以直接阅读代码来寻找缺陷，或是效率不高的代码，或是安全漏洞，以防患于未然。 中国网管联盟bitsCN.com

除非你是一个程序员，否则这一点听起来仿佛没有多少吸引力。实际上，即使你不是程序员，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： 网管bitscn_com

* 可以间接受益于世界各地成千上万的程序员随时进行的改进工作。 网管u家u.bitscn@com

* 如果你需要对系统进行修改，你可以雇用程序员为你完成工作。这部分人将根据你的需求定义单独为你服务。可以设想，这在源程序不公开的操作系统中将是什么样子。

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Linux这种独特的自由流畅的开发模型已被命名为bazaar（集市模型），它是相对于cathedral（教堂）模型而言的。在cathedral模型中，源程序代码被锁定在一个保密的小范围内。只有开发者（很多情况下是市场）认为能够发行一个新版本，这个新版本才会被推向市场。这些术语在Eric S. Raymond的《教堂与集市》（The Cathedral and the Bazaar）一文中有所介绍，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的反馈，对巨大数量的脑力资源进行平衡配置，可以开发出更优秀的软件。（顺便说一下，虽然Linux是最为明显的使用bazaar开发模型的例子，但是它却远不是第一个使用这个模型的系统。）

为了确保这些无序的开发过程能够有序地进行，Linux采用了双树系统。一个树是稳定树（stable tree），另一个树是非稳定树（unstable tree）或者开发树（development tree）。一些新特性、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的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的改进。按照Linus的观点，一旦开发树经过了足够的发展，开发树就会成为新的稳定树，如此周而复始的进行下去。

源程序版本号的形式为x.y.z。对于稳定树来说，y是偶数；对于开发树来说，y比相应的稳定树大一（因此，是奇数）。截至到本书截稿时，最新的稳定内核版本号是2.2.10，最新的开发内核的版本号是2.3.12。对2.3树的缺陷修正会回溯影响（back-propagated）2.2树，而当2.3树足够成熟的时候会发展成为2.4.0。（顺便说一下，这种开发会比常规惯例要快，因为每一版本所包含的改变比以前更少了，内核开发人员只需花很短的时间就能够完成一个实验开发周期。） http://www.kernel.org及其镜像站点提供了最新的可供下载的内核版本，而且同时包括稳定和开发版本。如果你愿意的话，不需要很长时间，这些站点所提供的最新版本中就可能包含了你的一部分源程序代码。 中国网管联盟bitsCN.com

第2章 代 码 初 识 中国网管联盟bitsCN.com

本章首先从较高层次介绍Linux内核源程序的概况，这些都是大家关心的一些基本特点。随后将简要介绍一些实际代码。最后介绍如何编译内核。

2.1 Linux内核源程序的部分特点

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在过去的一段时期，Linux内核同时使用C语言和汇编语言来实现。这两种语言需要一定的平衡：C语言编写的代码移植性较好、易于维护，而汇编语言编写的程序则速度较快。一般只有在速度是关键因素或者一些因平台相关特性而产生的特殊要求（例如直接和内存管理硬件进行通讯）时才使用汇编语言。

正如实际中所做的，即使内核并未使用C++的对象特性，部分内核也可以在g++（GNU的C++编译器）下进行编译。同其他面向对象的编程语言相比较，相对而言C++的开销是较低的，但是对于内核开发人员来说，这已经是太多了。 网管论坛bbs_bitsCN_com

内核开发人员不断发展编程风格，形成了Linux代码独有的特色。本节将讨论其中的一些问题。 网管网www.bitscn.com

2.1.1 gcc特性的使用 网管下载dl.bitscn.com

Linux内核被设计为必须使用GNU的C编译器gcc来编译，而不是任何一种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的一部分。 网管bitscn_com

一些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inline关键字指示内联函数。也就是说，代码中被调用的函数在每次函数调用时都会被扩充，因而就可以节约实际函数调用的开销。 网管下载dl.bitscn.com

一般情况下，代码的编写方式比较复杂。因为对于某些类型的输入，gcc能够产生比其他输入效率更高的执行代码。从理论上讲，编译器可以优化具有相同功能的两种对等的方法，并且得到相同的结果。因此，代码的编写方式是无关紧要的。但在实际上，用某种方法编写所产生的代码要比用另外一些方法编写所产生的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的执行代码，这不断地在他们编写的代码中反映出来。 中国网管联盟bitsCN.com

例如，考虑内核中经常使用的goto语句—为了提高速度，内核中经常大量使用这种一般要避免使用的语句。在本书中所包含的不到40 000行代码中，一共有500多条goto语句，大约是每80行一个。除汇编文件外，精确的统计数字是接近每72行一个goto语句。公平地说，这是选择偏向的结果：比例如此高的原因之一是本书中涉及的是内核源程序的核心，在这里速度比其他因素都需要优先考虑。整个内核的比例大概是每260行一个goto语句。然而，这仍然是我不再使用Basic进行编程以来见过的使用goto频率最高的地方。 网管下载dl.bitscn.com

代码必需受特定编译器限制的特性不仅与普通应用程序的开发有很大不同，而且也不同于大多数内核的开发。大多数的开发人员使用C语言编写代码来保持较高的可移植性，即使在编写操作系统时也是如此。这样做的优点是显而易见的，最为重要的一点是一旦出现更好的编译器，程序员们可以随时进行更换。

内核对于gcc特性的完全依赖使得内核向新的编译器上移植更加困难。最近Linus对这一问题在有关内核的邮件列表上表明了自己的观点：“记住，编译器只是一个工具。”这是对依赖于gcc特性的一个很好的基本思想的表述：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，而是对于标准的依赖有问题。 网管联盟bitsCN@com

在大多数情况下，这种观点是不能被人所接受的。通常情况下，为了保证和程序语言标准的一致，开发人员可能需要牺牲某些特性、速度或者其他相关因素。其他的选择可能会为后期开发造成很大的麻烦。

但是，在这种特定的情况下，Linus是正确的。Linux内核是一个特例，因为其执行速度要比向其他编译器的可移植性远为重要。如果设计目标是编写一个可移植性好而不要求快速运行的内核，或者是编写一个任何人都可以使用自己喜欢的编译器进行编译的内核，那么结论就可能会有所不同了；而这些恰好不是Linux的设计目标。实际上，gcc几乎可以为所有能够运行Linux的CPU生成代码，因此，对于gcc的依赖并不是可移植性的严重障碍。

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在第3章中我们将对内核设计目标进行详细说明。 网管网www.bitscn.com