linux内核分析与应用
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书名：Linux内核探秘
作者：高剑林
豆瓣评分：6.7
出版社：机械工业出版社
出版年份：2013-12-1
页数：232
内容简介：
《Linux内核探秘：深入解析文件系统和设备驱动的架构与设计》从工业需求角度出发，注重效率和实用性，是帮助内核研发及调试、驱动开发等领域工程师正确认识并高效利用Linux内核的难得佳作！作者是腾讯公司资深的Linux内核专家和存储系统专家，在该领域工作和研究的10余年间，面试了数百位Linux内核工程师，深知学习Linux内核过程中经常遇到的困惑，以及在工作中容易犯的错误。基于这些原因作者撰写了本书。本书出发点和写作方式可谓独辟蹊径，将Linux内核分为两个维度，一是基础部分和应用部分，二是内核架构和内核实现，将两个维有机统一，深入分析了Linux内核的文件系统、设备驱动的架构设计与实现原理。
《Linux内核探秘：深入解析文件系统和设备驱动的架构与设计》在逻辑上分为三部分：第一部分（第1～2章）首先将内核层划分为基础层和应用层，讲解了基础层包含的服务和数据结构，以及应用层包含的各种功能，然后对文件系统的架构进行了提纲挈领的介绍，为读者学习后面的知识打下基础；第二部分（第3～9章）从设备到总线到驱动，逐步深入，剖析了设备的总体架构、为设备服务的特殊文件系统sysfs、字符设备和input设备、platform总线、serio总线、PCI总线、块设备的实现原理和工作机制；第三部分（第10～13章）对文件系统的读写机制进行了深入分析，最后通过一个真实文件系统ext2，复习本书所有知识点。
作者简介：
高剑林，资深Linux内核专家、存储系统专家、嵌入式系统专家。先后就职于华为、UT斯达康、赛门铁克等公司，从事路由器设备研发、软件开发和存储系统研究相关的工作10余年，经验非常丰富。现就职于腾讯，负责存储系统的开发和研究。
B. 如何linux内核报告问题
Linux Kernel BUG:soft lockup CPU#1 stuck分析
1.线上内核bug日志
kernel: Deltaway too big! 18428729675200069867 ts=18446743954022816244 write stamp =18014278822746377
kernel:------------[ cut here ]------------
kernel:WARNING: at kernel/trace/ring_buffer.c:1988 rb_reserve_next_event+0x2ce/0x370()(Not tainted)
kernel:Hardware name: ProLiant DL360 G7
kernel:Moles linked in: fuse ipv6 power_meter bnx2 sg microcode serio_raw iTCO_wdtiTCO_vendor_support hpilo hpwdt i7core_edac edac_core shpchp ext4 mbcache jbd2sd_mod crc_t10dif hpsa radeon ttm drm_kms_helper drm i2c_algo_bit i2c_coredm_mirror dm_region_hash dm_log dm_mod [last unloaded: scsi_wait_scan]
kernel: Pid:5483, comm: master Not tainted 2.6.32-220.el6.x86_64 #1
kernel: CallTrace:
kernel:[<ffffffff81069b77>] ? warn_slowpath_common+0x87/0xc0
kernel:[<ffffffff81069bca>] ? warn_slowpath_null+0x1a/0x20
kernel:[<ffffffff810ea8ae>] ? rb_reserve_next_event+0x2ce/0x370
kernel:[<ffffffff810eab02>] ? ring_buffer_lock_reserve+0xa2/0x160
kernel:[<ffffffff810ec97c>] ? trace_buffer_lock_reserve+0x2c/0x70
kernel:[<ffffffff810ecb16>] ? trace_current_buffer_lock_reserve+0x16/0x20
kernel:[<ffffffff8107ae1e>] ? ftrace_raw_event_hrtimer_cancel+0x4e/0xb0
kernel:[<ffffffff81095e7a>] ? hrtimer_try_to_cancel+0xba/0xd0
kernel:[<ffffffff8106f634>] ? do_setitimer+0xd4/0x220
kernel:[<ffffffff8106f88a>] ? alarm_setitimer+0x3a/0x60
kernel:[<ffffffff8107c27e>] ? sys_alarm+0xe/0x20
kernel:[<ffffffff8100b308>] ? tracesys+0xd9/0xde
kernel: ---[end trace 4d0a1ef2e62cb1a2 ]---
abrt-mp-oops: Reported 1 kernel oopses to Abrt
kernel: BUG: softlockup - CPU#11 stuck for 4278190091s! [qmgr:5492]
kernel:Moles linked in: fuse ipv6 power_meter bnx2 sg microcode serio_raw iTCO_wdtiTCO_vendor_support hpilo hpwdt i7core_edac edac_core shpchp ext4 mbcache jbd2sd_mod crc_t10dif hpsa radeon ttm drm_kms_helper drm i2c_algo_bit i2c_coredm_mirror dm_region_hash dm_log dm_mod [last unloaded: scsi_wait_scan]
kernel: CPU 11
kernel:Moles linked in: fuse ipv6 power_meter bnx2 sg microcode serio_raw iTCO_wdtiTCO_vendor_support hpilo hpwdt i7core_edac edac_core shpchp ext4 mbcache jbd2sd_mod crc_t10dif hpsa radeon ttm drm_kms_helper drm i2c_algo_bit i2c_coredm_mirror dm_region_hash dm_log dm_mod [last unloaded: scsi_wait_scan]
kernel:
kernel: Pid:5492, comm: qmgr Tainted: G W ---------------- 2.6.32-220.el6.x86_64 #1 HPProLiant DL360 G7
kernel: RIP:0010:[<ffffffff8106f730>] [<ffffffff8106f730>]do_setitimer+0x1d0/0x220
kernel: RSP:0018:ffff88080a661ef8 EFLAGS: 00000286
kernel: RAX:ffff88080b175a08 RBX: ffff88080a661f18 RCX: 0000000000000000
kernel: RDX:0000000000000000 RSI: 0000000000000082 RDI: ffff88080c8c4c40
kernel: RBP:ffffffff8100bc0e R08: 0000000000000000 R09: 0099d7270e01c3f1
kernel: R10:0000000000000000 R11: 0000000000000246 R12: ffffffff810ef9a3
kernel: R13:ffff88080a661e88 R14: 0000000000000000 R15: ffff88080a65a544
kernel: FS:00007f10b245f7c0(0000) GS:ffff88083c4a0000(0000) knlGS:0000000000000000
kernel: CS:0010 DS: 0000 ES: 0000 CR0: 000000008005003b
kernel: CR2:00007ff955977380 CR3: 000000100a80b000 CR4: 00000000000006e0
kernel: DR0:0000000000000000 DR1: 0000000000000000 DR2: 0000000000000000
kernel: DR3:0000000000000000 DR6: 00000000ffff0ff0 DR7: 0000000000000400
kernel:Process qmgr (pid: 5492, threadinfo ffff88080a660000, task ffff880809577500)
kernel: Stack:
kernel:00007f10b323def0 00007f10b248ead0 00007f10b26d0f78 00007f10b248ede0
kernel:<0> ffff88080a661f68 ffffffff8106f88a 0000000000000000 0000000000000000
kernel:<0> 000000000000014c 00000000000f423d 0000000000000000 0000000000000000
kernel: CallTrace:
kernel:[<ffffffff8106f88a>] ? alarm_setitimer+0x3a/0x60
kernel:[<ffffffff8107c27e>] ? sys_alarm+0xe/0x20
kernel:[<ffffffff8100b308>] ? tracesys+0xd9/0xde
kernel: Code:89 ef e8 74 66 02 00 83 3d 15 69 b5 00 00 75 37 49 8b 84 24 70 07 00 00 48 0508 08 00 00 66 ff 00 66 66 90 fb 66 0f 1f 44 00 00 <31> c0 e9 64 fe ff ff49 8b 84 24 68 07 00 00 48 c7 80 d0 00 00
kernel: CallTrace:
kernel:[<ffffffff8106f769>] ? do_setitimer+0x209/0x220
kernel:[<ffffffff8106f88a>] ? alarm_setitimer+0x3a/0x60
kernel:[<ffffffff8107c27e>] ? sys_alarm+0xe/0x20
kernel:[<ffffffff8100b308>] ? tracesys+0xd9/0xde
abrt-mp-oops: Reported 1 kernel oopses to Abrt
2.内核软死锁（soft lockup）bug原因分析
Soft lockup名称解释：所谓，soft lockup就是说，这个bug没有让系统彻底死机，但是若干个进程（或者kernel thread）被锁死在了某个状态（一般在内核区域），很多情况下这个是由于内核锁的使用的问题。
Linux内核对于每一个cpu都有一个监控进程，在技术界这个叫做watchdog（看门狗）。通过ps –ef | grep watchdog能够看见，进程名称大概是watchdog/X（数字：cpu逻辑编号1/2/3/4之类的）。这个进程或者线程每一秒钟运行一次，否则会睡眠和待机。这个进程运行会收集每一个cpu运行时使用数据的时间并且存放到属于每个cpu自己的内核数据结构。在内核中有很多特定的中断函数。这些中断函数会调用soft lockup计数，他会使用当前的时间戳与特定（对应的）cpu的内核数据结构中保存的时间对比，如果发现当前的时间戳比对应cpu保存的时间大于设定的阀值，他就假设监测进程或看门狗线程在一个相当可观的时间还没有执。Cpu软锁为什么会产生，是怎么产生的？如果linux内核是经过精心设计安排的CPU调度访问，那么怎么会产生cpu软死锁？那么只能说由于用户开发的或者第三方软件引入，看我们服务器内核panic的原因就是qmgr进程引起。因为每一个无限的循环都会一直有一个cpu的执行流程（qmgr进程示一个后台邮件的消息队列服务进程），并且拥有一定的优先级。Cpu调度器调度一个驱动程序来运行，如果这个驱动程序有问题并且没有被检测到，那么这个驱动程序将会暂用cpu的很长时间。根据前面的描述，看门狗进程会抓住（catch）这一点并且抛出一个软死锁（soft lockup）错误。软死锁会挂起cpu使你的系统不可用。
如果是用户空间的进程或线程引起的问题backtrace是不会有内容的，如果内核线程那么在soft lockup消息中会显示出backtrace信息。
3.根据linux内核源码分析错误
根据我们第一部分内核抛出的错误信息和call trace（linux内核的跟踪子系统）来分析产生的具体原因。
首先根据我们的centos版本安装相应的linux内核源码，具体步骤如下：
（1）下载源码的rpm包kernel-2.6.32-220.17.1.el6.src.rpm
（2）安装相应的依赖库，命令：yuminstall rpm-build redhat-rpm-config asciidoc newt-devel
（3）安装源码包：rpm -ikernel-2.6.32-220.17.1.el6.src.rpm
（4）进入建立源码的目录：cd~/rpmbuild/SPECS
（5）建立生成源码目录：rpmbuild-bp --target=`uname -m` kernel.spec
下面开始真正的根据内核bug日志分析源码：
（1）第一阶段内核错误日志分析（时间在Dec 4 14:03:34这个阶段的日志输出代码分析，其实这部分代码不会导致cpu软死锁，主要是第二阶段错误日志显示导致cpu软死锁）
我们首先通过日志定位到相关源代码：看下面日志：Dec 4 14:03:34 BP-YZH-1-xxxx kernel: WARNING: atkernel/trace/ring_buffer.c:1988 rb_reserve_next_event+0x2ce/0x370() (Not tainted)
根据日志内容我们可以很容易的定位到kernel/trace/ring_buffer.c这个文件的1988行代码如下：WARN_ON(1)。
先简单解释一下WARN_ON的作用：WARN_ON只是打印出当前栈信息，不会panic。所以会看到后面有一大堆的栈信息。这个宏定义如下：
#ifndef WARN_ON
#defineWARN_ON(condition) ({ \
int __ret_warn_on = !!(condition); \
if (unlikely(__ret_warn_on)) \
__WARN(); \
unlikely(__ret_warn_on); \
})
#endif
这个宏很简单保证传递进来的条件值为0或者1（两次逻辑非操作的结果），然后使用分支预测技术（保证执行概率大的分支紧邻上面的指令）判断是否需要调用__WARN()宏定义。如果满足条件执行了__WARN()宏定义也接着执行一条空指令;。上面调用WARN_ON宏是传递的1，所以会执行__WARN()。下面继续看一下__WARN()宏定义如下：
#define __WARN() warn_slowpath_null(__FILE__,__LINE__)
从接下来的call trace信息中我们也确实发现调用了warn_slowpath_null这个函数。通过在linux内核源代码中搜索这个函数的实现，发现在panic.c（内核恐慌时的相关功能实现）中实现如下：
voidwarn_slowpath_null(const char *file, int line)
{
warn_slowpath_common(file, line,__builtin_return_address(0),
TAINT_WARN, NULL);
}
EXPORT_SYMBOL(warn_slowpath_null);//都出这个符号，让其他模块可以使用这个函数
同样的我们看到了warn_slowpath_common这个函数，而在call trace当中这个函数在warn_slowpath_null函数之前打印出来，再次印证了这个流程是正确的。同样在panic.c这个文件中我发现了warn_slowpath_common这个函数的实现如下：
static voidwarn_slowpath_common(const char *file, int line, void *caller,
unsigned taint, struct slowpath_args *args)
{
const char *board;
printk(KERN_WARNING "------------[ cut here]------------\n");
printk(KERN_WARNING "WARNING: at %s:%d %pS()(%s)\n",
file, line, caller, print_tainted());
board = dmi_get_system_info(DMI_PRODUCT_NAME);//得到dmi系统信息
if (board)
printk(KERN_WARNING "Hardware name:%s\n", board);//通过我们的日志信息可以发现我们硬件名称是ProLiant DL360 G7
if (args)
vprintk(args->fmt, args->args);
print_moles();//打印系统模块信息
mp_stack();//mp信息输出（call trace开始）
print_oops_end_marker();//打印oops结束
add_taint(taint);
}
分析这个函数的实现不难发现我们的很多日志信息从这里开始输出，包括打印一些系统信息，就不继续深入分析了（请看代码注释，里面调用相关函数打印对应信息，通过我分析这些函数的实现和我们的日志信息完全能够对应，其中mp_stack是与cpu体系结构相关的，我们的服务器应该是属于x86体系）。这里在继续分析一下mp_stack函数的实现，因为这个是与cpu体系结构相关的，而且这个函数直接反应出导致内核panic的相关进程。这个函数实现如下：
/*
* The architecture-independent mp_stackgenerator
*/
void mp_stack(void)
{
unsigned long stack;
printk("Pid: %d, comm: %.20s %s %s %.*s\n",
current->pid, current->comm,print_tainted(),
init_utsname()->release,
(int
C. Linux内核应该怎么去学习
学嵌入式Linux要先学以下几点：
1.c语言。要有C语言的基础，当然越熟练越好，不熟也没关系，具备基本技能就可以：比如写一个数组排序、输入数字求和什么的。C语言的学习就是多些多练。
2.Linux基础
Linux操作系统的概念、安装方法，详细了解Linux下的目录结构、基本命令、编辑器VI ,编译器GCC，调试器GDB和 Make 项目管理工具, Shell、 Makefile脚本编写等知识，嵌入式开发环境的搭建。
3.Linux系统编程
重点学习标准I/O库，Linux多任务编程中的多进程和多线程，以及进程间通信(pipe、FIFO、消息队列、共享内存、signal、信号量等)，同步与互斥对共享资源访问控制等重要知识，主要提升对Linux应用开发的理解和代码调试的能力。
4.Linux网络编程
计算机网络在嵌入式Linux系统应用开发过程中使用非常广泛，通过Linux网络发展、TCP/IP协议、socket编程、TCP网络编程、UDP网络编程、Web编程开发等方面入手，全面了解Linux网络应用程序开发。重点学习网络编程相关API，熟练掌握TCP协议服务器的编程方法和并发服务器的实现，了解HTTP协议及其实现方法，熟悉UDP广播、多播的原理及编程方法，掌握混合C/S架构网络通信系统的设计，熟悉HTML,Javascript等Web编程技术及实现方法。
5.数据结构与算法
数据结构及算法在嵌入式底层驱动、通信协议、及各种引擎开发中会得到大量应用，对其掌握的好坏直接影响程序的效率、简洁及健壮性。此阶段的学习要重点理解数据结构与算法的基础内容，包括顺序表、链表、队列、栈、树、图、哈希表、各种查找排序算法等应用及其C语言实现过程。
6.Cortex A8 、Linux 平台开发
通过基于ARM Cortex-A8处理s5pv210了解芯片手册的基本阅读技巧，掌握s5pv210系统资源、时钟控制器、电源管理、异常中断控制器、nand flash控制器等模块，为底层平台搭建做好准备。Linux平台包括内核裁减、内核移植、交叉编译、GNU工具使用、内核调试、Bootloader介绍、制作与原理分析、根文件系统制作以及向内核中添加自己的模块，并在s5pv210实验平台上运行自己制作的Linux系统,集成部署Linux系统整个流程。同时了解Android操作系统开发流程。Android系统是基于Linux平台的开源操作系统，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成，是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件，目前它的应用不再局限于移动终端，还包括数据电视、机顶盒、PDA等消费类电子产品。
7.驱动开发
驱动程序设计是嵌入式Linux开发工作中重要的一部分，也是比较困难的一部分。本阶段的学习要熟悉Linux的内核机制、驱动程序与用户级应用程序的接口，掌握系统对设备的并发操作。熟悉所开发硬件的工作原理，具备ARM硬件接口的基础知识，熟悉ARM Cortex-A8处理器s5pv210各资源、掌握Linux设备驱动原理框架，熟悉工程中常见Linux高级字符设备、块设备、网络设备、USB设备等驱动开发，在工作中能独立胜任底层驱动开发。
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E. 学习Linux的步骤是怎样的
对于Linux的学习，可以分为四个阶段，Linux初级入门阶段→Linux中级进阶→Linux高级进阶→Linux资深方向细化阶段
第一阶段：初级阶段
初级阶段需要把linux学习路线搞清楚，任何学习都是循序渐进的，所以学linux也是需要有一定的路线。
1. Linux基础知识、基本命令；
2. Linux用户及权限基础；
3. Linux系统进程管理进阶；
4. linux高效文本、文件处理命令；
5. shell脚本入门
第二阶段:中级进阶
中级进阶需要在充分了解linux原理和基础知识之后，对上层的应用和服务进行深入学习，其中说到服务肯定涉及到网络的相关知识，是需要花时间学习的。
1. TCP/IP网络基础；
2. Linux企业常用服务；
3. Linux企业级安全原理和防范技巧；
4. 加密/解密原理及数据安全、系统服务访问控制及服务安全基础；
5. iptables安全策略构建；
6. shell脚本进阶；
7. MySQL应用原理及管理入门
第三阶段：Linux高级进阶
1. http服务代理缓存加速；
2. 企业级负载集群；
3. 企业级高可用集群；
4. 运维监控zabbix详解；
5. 运维自动化学习；
第四阶段：Linux资深方向细化
1. 大数据方向；
2. 云计算方向；
3. 运维开发；
4. 自动化运维；
5. 运维架构师
以上是Linux的一个学习方向和路线，对于Linux学习是一个需要坚持的过程，也许通过自学或者培训，3至6个月都可以把基本知识学会，但是重在实践，深入的思考和不断的摸索，你会发现Linux更多的美！
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G. 学习Linux内核能用来干什么
我个人的理解是：1、了解Linux内核的具体工作细节，对我们系统编程来说是非常有用处的，比如你了解了某个系统调用在内核中是怎么实现，用起来就会更加得心应手。2、学习Linux内核的工作原理和具体实现细节，本身就是一种挑战，内核是个非常庞大的工程，无论是从理论还是实现细节理解起来就是很有难度的，如果我们能坚持的把内核中某个子模块完全的理解后，一定会提升自己的自信心，无论以后我们是做内核编程，还是系统编程。3、Linux内核开发工程师几乎都是全球最着名的内核黑客，内核代码里有无数的编程技巧值得我们学习，它就是一个代码的宝库。4、分析Linux内核代码，无疑对我们编写内核模块是有巨大帮助的。内核函数无非是内核给我们提供的接口，但是了解内核函数的具体实现，能更好的编写驱动程序。
H. c语言是干嘛的
C语言是用来编写系统的。
最开始，人们手里除了机器码就是汇编，没有别的语言。但是汇编有很多硬件相关的特性，可移植性差。贝尔实验室要解决这一问题，就研发了C语言。
C语言可以跨平台，一份代码，配上不同的编译器就可以在各大电脑上运行。除此之外，C语言效率惊人，在某些情况中，如果汇编水平中等以下，编出来的汇编甚至没有C语言生成的机器码快。
现在，NOIP（现更名为CSP-J和CSP-S）仅允许初赛和复赛使用三种语言：Pascal、C、C++，C语言的重要性不言而喻。
虽然迈入了互联网时代，但是C语言的地位也没有低到可以忽略。C语言在对空间和时间要求较高的设备（如嵌入式设备）中发挥着重要功能，也可以编写各大语言的编译器，有着比较重要的地位。
I. 如何学习Linux内核该学习哪些方面的知识谢谢！！！
最早接触inux是看了《linux操作系统实用教程》，98~99年的光景，学习了简单的操作和内核编译，那时候开始注意并学习内核。看的第一本是《Unix环境高级编程》，看了一部分没看完，开始对
if(!(p=fork()))
{
…………
}
else
{
……
}
结构恨意很疑惑，这和一般的应用程序逻辑相背，因此想搞明白内核在干什么，怎么干的。开始买了《操作系统设计与实现》，上下册，下册全是minix操作系统内核代码。它和linux完全不同的，一个是微内核，一个单内核。即便看懂了minix,linux也要从头看起，反之亦然。因此后来没钻进去。我看的第一本Linux内核书是李善平老师的《linux操作系统实验教程》，当时市面上关于内核的书很少，这本是讲2.0.35版的好像，似懂非懂。就开始边看边读源代码，间或看点操作系统原理的书，有不懂得在论坛上提问，这样慢慢琢磨，就有点懂了。现在比当时好多了，很多内核的书，各方面剖析得很详尽。不过要学懂，还是要：1、有好奇心和兴趣 2、看书、读代码，这样能够比较懂。要进一步提高的话还要学会修改内核。有以下书籍可以参考：
1、《linux内核完全剖析》0.11版内核
2、《深入理解linux内核》(1、2、3版) ，3个版本分别对应2.2、2.4、2.6版的内核。
3、《linux内核源代码情景分析》2.4.0版内核
4、《linux内核设计与实现》
5、《linux设备驱动程序》