怎么学习 Linux 内核源码

为什么 Linux 值得学习?

Linux 已经影响到所有人,安卓手机,嵌入式设备,物联网,服务器,虚拟化,容器 这些都离不开 Linux,Linux 是世界最知名的开源项目,为它贡献代码的人也是最聪明的那一小撮人。

学习理解它,会让程序猿对计算机的理解,对排查定位问题都有巨大的帮助。

奇伢经常分享 Linux 的深度原理,文章经常涉及到 Linux 内核的源码,今天简单讲讲奇伢的内核学习之旅。

不要盲目学习?

很多时候初学的朋友对内核源码真的是有心无力,因为太过巨大了,不知如何下手。

这个涉及到学习方法的问题,Linux 是一个巨大的项目,但也是世界上最优秀的项目,模块化非常好。做到了功能的内聚,往往不需要、看懂所有的代码,只需要看懂一个模块,也能把事情做好。

切记不要盲目扎到 Linux,一定要先确认目标,目光要聚焦,从一个小知识点开始,慢慢向外延伸。

聚焦可以来自很多方向:

  1. 来自工作中遇到的具体问题,比如 epoll 为啥高效,我总不理解? 那可以把目光聚焦在 fs/eventpoll.c 文件,从这里开始探索;
  2. 来自自我探索的内驱力,比如文件系统,但总感觉隔了一层面纱,想要彻底揭开它 ?那就去 fs 找具体的文件系统吧;

奇伢是做存储的,所以自然是从 fs 的角度来讲解学习。

下载源码

Linux 的镜像源码在 Github 上就有,下载地址:https://github.com/torvalds/linux ,可以把它 git clone 下来

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讲讲层次

先看一眼根目录主要有啥:

tree -L 1

如下(省略了一些):

➜  linux git:(master) ✗ tree -L 1
.
├── Documentation       # 内核的文档
├── arch                # 具体硬件指令对应的模块
├── block               # 块层模块相关代码
├── drivers             # 跟硬件驱动相关的代码
├── fs                  # 文件系统相关代码
├── kernel              # kernel 框架核心代码
├── mm                  # 内存管理模块
├── net                 # 网络协议栈相关代码

...
22 directories, 7 files

可以看见,都是按照非常内聚的功能划分的,就算从没看过内核的朋友,看一眼名字也大概清楚:

  • cpu 指令对应的模块:arch/ ;
  • 块层对应的模块:block/ ;
  • 丰富多彩的硬件驱动:drivers/ ;
  • 文件系统模块:fs/ ;
  • 网络系统模块:net/ ;

Linux 是一个非常庞大的项目,一个人是无法把握住所有的细节的,但是按照模块抽象划分之后,理解和开发一个功能无需关注其他模块,只需要理解本模块就好。所以,对于个人来讲,去学习 Linux 是可以的。

其实,奇伢也没有把所有模块看一遍,奇伢是做存储的,所以只对 fs 和 block 感兴趣。

下面从 fs 的角度,来讲一下学习路径。

fs 子系统

奇伢是做存储的,自然是从 fs 开始,来看一下 fs 的目录:

➜  linux git:(master) ✗ tree -L 1 fs
fs

# 目录

├── btrfs           # linux 的牛逼哄哄的文件系统
├── ceph            # ceph 文件系统内核模块
├── debugfs         # 专门调试的机制
├── ext2            # ext2 文件系统
├── ext4            # ext4 文件系统
├── fuse            # fuse 文件系统内核模块
├── minix           # linux 上最早的文件系统
├── netfs           # 对网络的文件封装
├── nfs             # nfs 文件系统内核模块
├── overlayfs       # 这个有点印象吧,跟 docker 配合
├── proc            # proc 文件系统
├── sysfs           # sys 文件系统
├── xfs             # xfs 文件系统

# 文件

├── open.c          # 文件框架类代码(抽象的公共部分)
├── read_write.c
├── readdir.c
├── attr.c
├── stat.c
├── statfs.c
├── super.c
├── sync.c
├── xattr.c
├── fcntl.c
├── file.c
├── inode.c
├── ioctl.c
├── buffer.c

├── eventfd.c       # eventfd 句柄实现;
├── eventpoll.c     # epoll 机制的实现
├── signalfd.c      # signalfd 句柄的实现;
├── select.c        # select 机制的实现
├── timerfd.c       # timerfd 句柄的实现
├── pipe.c          # pipe 的实现
├── anon_inodes.c   # 匿名句柄的实现
├── aio.c           # aio 句柄的实现
├── userfaultfd.c   # userfaultfd 句柄的实现
├── io_uring.c      # io_uring 的实现 

...
81 directories

目录 fs 下可以大概分为两部分:

  • 第一部分是具体的文件系统的实现,比如 ext2,ext4,xfs 等文件系统,其代码都内聚在同名目录下;
  • 另一部分是框架的公共代码部分,这个主要是以文件的形式直接在 fs 目录下,比如 open.c ,stat.c 等等;

眼尖的朋友可能会发现 eventpoll.c 这个文件,这就是大名鼎鼎的 epoll 机制。并且还有其他特色句柄的封装,比如 timerfd.c ,eventfd.c 等等。

文件系统怎么入门?

曾经,有个童鞋问过奇伢,他对 ext3,ext4 这类文件系统一直耿耿于怀,想要深究原理,但是苦于代码太多看不懂过,迟迟不的入门,怎么办?

也有朋友提过想系统学习一个文件系统,该从哪个模块入手?

如果是用户态文件系统,可以看试下 fuse ,看着几篇简单的文章:

如果是内核文件系统,奇伢墙裂推荐: minix 模块!

在 fs 目录下有一个叫做 minix 的目录,这是完整极简文件系统的实现。文件系统只有 8 个 .c 文件,实现非常简单,并且是由 Linus Torvalds 完整编写的,minix 是从 Linux 诞生的以来最早的一个文件系统。

每个 minix 的文件至今还保留着 Linus Torvalds 的注释声明:

  • Copyright (C) 1991, 1992 Linus Torvalds

要知道,Linux 发展这么久,Linus Torvalds 很少写代码了,很难找到这样完整由 Linus Torvalds 编写的系统了。

minix 文件系统是和 linux 一起诞生的,linux 上最早的文件系统。

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提示:关于 minix 和 linux 的关系,感兴趣的朋友可以网上冲浪查一下。

推荐指数:

爆表

推荐理由:

  • 非常简单,适合初学入门;
  • 远古保留遗产,linux 出生就在,Linus Torvalds 亲自写的;

早年,奇伢也是从 minix 开始的内核之旅。

源码必须配利器

看 c 代码以前用的多就是 source insight ,但是软件版权不是每家公司都买得起,并且 si ,换了 mac 就用不了了,当前奇伢用的多的还是 vim 和 vscode 这两个工具。

vim

说实话,vim 看代码就够了,有两个重要的功能:

  1. 符号搜索;
  2. 函数跳转

主要推荐两个增强插件:ctags 和 cscope ,有了这两个功能,基本上应付常规的阅读问题不大。

如果你想要有目录的管理,那可以安装 NERDTree 插件,当然还有非常多的增强,这里就不列举了。

vscode

vscode 是奇伢现在用的比较多的源码工具,主要优点:

  1. 开源免费;
  2. 安装、扩展方便;
  3. 全平台统一;

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安装一些实用插件之后,函数跳转,符号搜索,引用分析 都挺方便的。

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不过奇伢还是要提醒一点,对于 Linux 这样的大项目,无论是 vim 还是 vscode 分析整个项目都挺慢的,这个要理解下。

好一点的实践是小模块的分析,比如,有些时候 ctags 只建立 fs 目录下的符号表,这样速度也快点。

总结

  1. Linux 值得学习,但要确认目标,要聚焦,比如奇伢是做存储的,聚焦在 fs 这个模块;
  2. 文件系统从 fs 目录入手,各色文件系统,各色句柄封装,epoll,aio,io_uring 都在这里;
  3. 存储入门,墙裂推荐 minix 模块的学习,极简文件系统实现,Linus Torvalds 编写并保留,linux 的远古遗产,极具象征意义;
  4. 源码阅读配利器,vim 、vscode 都可以;

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