一、內(nèi)核源碼之我見
Linux內(nèi)核代碼的龐大令不少人“望而生畏”，也正因為如此，使得人們對Linux的了解僅處于泛泛的層次。如果想透析Linux，深入操作系統(tǒng)的本質(zhì)，閱讀內(nèi)核源碼是最有效的途徑。我們都知道，想成為優(yōu)秀的程序員，需要大量的實踐和代碼的編寫。編程固然重要，但是往往只編程的人很容易把自己局限在自己的知識領(lǐng)域內(nèi)。如果要擴(kuò)展自己知識的廣度，我們需要多接觸其他人編寫的代碼，尤其是水平比我們更高的人編寫的代碼。通過這種途徑，我們可以跳出自己知識圈的束縛，進(jìn)入他人的知識圈，了解更多甚至我們一般短期內(nèi)無法了解到的信息。Linux內(nèi)核由無數(shù)開源社區(qū)的“大神們”精心維護(hù)，這些人都可以稱得上一頂一的代碼高手。透過閱讀Linux內(nèi)核代碼的方式，我們學(xué)習(xí)到的不光是內(nèi)核相關(guān)的知識，在我看來更具價值的是學(xué)習(xí)和體會它們的編程技巧以及對計算機(jī)的理解。
我也是通過一個項目接觸了Linux內(nèi)核源碼的分析，從源碼的分析工作中，我受益頗多。除了獲取相關(guān)的內(nèi)核知識外，也改變了我對內(nèi)核代碼的過往認(rèn)知：
1．內(nèi)核源碼的分析并非“高不可攀”。內(nèi)核源碼分析的難度不在于源碼本身，而在于如何使用更合適的分析代碼的方式和手段。內(nèi)核的龐大致使我們不能按照分析一般的demo程序那樣從主函數(shù)開始按部就班的分析，我們需要一種從中間介入的手段對內(nèi)核源碼“各個擊破”。這種“按需索取”的方式使得我們可以把握源碼的主線，而非過度糾結(jié)于具體的細(xì)節(jié)。
2．內(nèi)核的設(shè)計是優(yōu)美的。內(nèi)核的地位的特殊性決定著內(nèi)核的執(zhí)行效率必須足夠高才可以響應(yīng)目前計算機(jī)應(yīng)用的實時性要求，為此Linux內(nèi)核使用C語言和匯編的混合編程。但是我們都知道軟件執(zhí)行效率和軟件的可維護(hù)性很多情況下是背道而馳的。如何在保證內(nèi)核高效的前提下提高內(nèi)核的可維護(hù)性，這需要依賴于內(nèi)核中那些“優(yōu)美”的設(shè)計。
3．神奇的編程技巧。在一般的應(yīng)用軟件設(shè)計領(lǐng)域，編碼的地位可能不被過度的重視，因為開發(fā)者更注重軟件的良好設(shè)計，而編碼僅僅是實現(xiàn)手段問題——就像拿斧子劈柴一樣，不用太多的思考。但是這在內(nèi)核中并不成立，好的編碼設(shè)計帶來的不光是可維護(hù)性的提高，甚至是代碼性能的提升。
每個人對內(nèi)核的了理解都會有所不同，隨著我們對內(nèi)核理解的不斷加深，對其設(shè)計和實現(xiàn)的思想會有更多的思考和體會。因此本文更期望于引導(dǎo)更多徘徊在Linux內(nèi)核大門之外的人進(jìn)入Linux的世界，去親自體會內(nèi)核的神奇與偉大。而我也并非內(nèi)核源碼方面的專家，這么做也只是希望分享我自己的分析源碼的經(jīng)驗和心得，為那些需要的人提供參考和幫助，說的“冠冕堂皇”一點，也算是為計算機(jī)這個行業(yè)，尤其是在操作系統(tǒng)內(nèi)核方面貢獻(xiàn)自己的一份綿薄之力。閑話少敘（已經(jīng)羅嗦了很多了，囧~），下面我就來分享一下自己的Linix內(nèi)核源碼分析方法。
二、內(nèi)核源碼難不難？
從本質(zhì)上講，分析Linux內(nèi)核代碼和看別人的代碼沒有什么兩樣，因為擺在你面前的一般都不是你自己寫出來的代碼。我們先舉一個簡單的例子，一個陌生人隨便給你一個程序，并要你看完源碼后講解一下程序的功能的設(shè)計，我想很多自我感覺編程能力還可以的人肯定覺得這沒什么，只要我耐心的把他的代碼從頭到尾看完，肯定能找到答案，并且事實確實是如此。那么現(xiàn)在換一個假設(shè)，如果這個人是Linus，給你的就是Linux內(nèi)核的一個模塊的代碼，你還會覺得依然那么輕松嗎？不少人可能會有所猶豫。同樣是陌生人（Linus要是認(rèn)識你的話當(dāng)然不算，呵呵~）給你的代碼，為什么給我們的感覺大相徑庭呢？我覺得有以下原因：
1．Linux內(nèi)核代碼在“外界”看來多少有些神秘感，而且它很龐大，猛地擺在面前可能感覺無法下手。比如可能來源于一個很細(xì)小的原因——找不到main函數(shù)。對于簡單的demo程序，我們可以從頭至尾的分析代碼的含義，但是分析內(nèi)核代碼這招就徹底失效了，因為沒有人能把Linux代碼從頭到尾看上一遍（因為確實沒有必要，用到時看就可以了）。
2．不少人也接觸過大型軟件的代碼，但多數(shù)屬于應(yīng)用型項目，代碼的形式和含義都和自己常接觸的業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)。而內(nèi)核代碼不同，它處理的信息多數(shù)和計算機(jī)底層密切相關(guān)。比如操作系統(tǒng)、編譯器、匯編、體系結(jié)構(gòu)等相關(guān)的知識的欠缺，也會讓閱讀內(nèi)核代碼障礙重重。
3．分析內(nèi)核代碼的方法不夠合理。面對大量的并且復(fù)雜的內(nèi)核代碼，如果不從全局的角度入手，很容易陷入代碼細(xì)節(jié)的泥淖中。內(nèi)核代碼雖然龐大，但是它也有它的設(shè)計原則和架構(gòu)，否則維護(hù)它對任何人來說都是一個噩夢！如果我們理清代碼模塊的整體設(shè)計思路，再去分析代碼的實現(xiàn)，可能分析源碼就是一件輕松快樂的事情了。
針對這些問題，我個人是這樣理解的。如果沒有接觸過大型軟件項目，可能分析Linux內(nèi)核代碼是一個很好的積累大型項目經(jīng)驗的機(jī)會（確實，Linux代碼是我目前接觸到的最大的項目了?。?。如果你對計算機(jī)底層了解的不夠透徹，那么我們可以選擇邊分析邊學(xué)習(xí)的方式去積累底層的知識?？赡軇傞_始分析代碼的進(jìn)度會稍顯遲緩，但是隨著知識的不斷積累，我們對Linux內(nèi)核的“業(yè)務(wù)邏輯”會逐漸明朗起來。最后一點，如何從全局的角度把握分析的源碼，這也是我想與大家分享的經(jīng)驗。
三、內(nèi)核源碼分析方法
第一步：資料搜集
從人認(rèn)識新事物的角度來講，在探索事物本質(zhì)之前，必須有一個了解新鮮事物的過程，這個過程是的我們對新鮮事物產(chǎn)生一個初步的概念。比如我們想學(xué)習(xí)鋼琴，那么我們需要先了解彈奏鋼琴需要我們學(xué)習(xí)基本的樂理、簡譜、五線譜等基礎(chǔ)知識，然后學(xué)習(xí)鋼琴彈奏的技巧和指法，最后才能真正的開始練習(xí)鋼琴。
分析內(nèi)核代碼也是如此，首先我們需要定位要分析的代碼涉及的內(nèi)容。是進(jìn)程同步和調(diào)度的代碼，是內(nèi)存管理的代碼，還是設(shè)備管理的代碼，還是系統(tǒng)啟動的代碼等等。內(nèi)核的龐大決定著我們不能一次性將內(nèi)核代碼全部分析完成，因此我們需要給自己一個合理的分工。正如算法設(shè)計告訴我們的，要解決一個大問題，首先要解決它所涉及的子問題。
定位好要分析的代碼范圍，我們就可以動用手頭的一切資源，盡可能的全面了解該部分代碼的整體結(jié)構(gòu)和大致功能。

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這里所說的一切資源是指無論是Baidu、Google大型網(wǎng)絡(luò)搜索引擎，還是操作系統(tǒng)原理教材和專業(yè)書籍，亦或是他人提供的經(jīng)驗和資料，甚至是Linux源碼提供的文檔、注釋和源碼標(biāo)識符的名稱（不要小看代碼中的標(biāo)識符的命名，有時它們能提供關(guān)鍵的信息）?？傊@里的一切資源指的就是你能想到的一切可用資源。當(dāng)然，我們不太可能通過這種形式的信息搜集獲得所有的我們想要的信息，我們只求盡可能全面即可。因為信息搜集的越全面，之后分析代碼的過程能使用的信息就更多，分析過程的困難就會越小。
這里舉一個簡單的例子，假定我們要分析Linux的變頻機(jī)制實現(xiàn)的代碼。目前為止我們僅僅是知道這個名詞而已，透過字面含義我們可以大致猜測它應(yīng)該和CPU的頻率調(diào)節(jié)相關(guān)。通過信息搜集，我們應(yīng)該能得到如下的相關(guān)的信息：
1．CPUFreq機(jī)制。
2．performance、powersave、userspace、ondemand、conservative調(diào)頻策略。
3．/driver/cpufreq/。
4．/documention/cpufreq。
5．P state和C state。
……
分析Linux內(nèi)核代碼如果能搜集到這些信息，應(yīng)該說是非?！靶疫\(yùn)”了。畢竟有關(guān)Linux內(nèi)核的資料確實不如.NET和JQuery那么豐富，不過這相比于十?dāng)?shù)年前，沒有強(qiáng)大的搜索引擎，沒有相關(guān)的研究資料的時期應(yīng)該稱得上是“大豐收”時代了！我們通過簡單的“搜索”（可能會花費(fèi)一到兩天的時間吧），甚至找到了這部分代碼所在的源碼文件目錄，不得不說這樣的信息簡直是“價值連城”！
第二步：源碼定位
從資料搜集中，我們“有幸”找到了源碼相關(guān)的源碼目錄。但是這并非意味著我們的確就是分析這個目錄下的源代碼。有時我們找到的目錄有可能是分散的，也有時我們找到的目錄下有很多和具體機(jī)器相關(guān)的代碼，而我們更關(guān)心的是待分析代碼的主要機(jī)制，而非與機(jī)器相關(guān)的特化代碼（這樣更有助于我們理解內(nèi)核的本質(zhì)）。因此，我們需要對資料中涉及代碼文件的資料進(jìn)行仔細(xì)甄選。當(dāng)然，這一步也不太可能一次性完成，誰也不能保證一次就能選擇出所有待分析的源碼文件而且一個不漏。但是我們也不必?fù)?dān)心，只要我們能抓住大多數(shù)模塊相關(guān)的核心源文件，通過后期對代碼的具體分析，就很自然的把它們?nèi)空页鰜怼?br /> 回到上述的例子中，我們認(rèn)真的閱讀/documention/cpufreq下的文檔說明。目前的Linux源碼會把模塊相關(guān)的文檔說明保存在源碼目錄的documention的文件夾下，如果待分析的模塊沒有文檔說明，這多少會增加定位關(guān)鍵源碼文件的難度，但是不會導(dǎo)致我們找不到我們要分析的源碼。通過閱讀文檔說明，我們至少能關(guān)注到/driver/cpufreq/cpufreq.c這個源文件。通過這個對源文件的文檔說明，結(jié)合之前搜羅到的調(diào)頻策略，我們很容易關(guān)注到cpufreq_performance.c、cpufreq_powersave.c、cpufreq_userspace.c、cpufreq_ondemand、cpufreq_conservative.c這五個源文件。所有涉及的文件都找完了嗎？不用擔(dān)心，從它們開始分析，遲早能找到其他的源文件。如果在windows下使用sourceinsight閱讀內(nèi)核源碼的話，我們通過函數(shù)的調(diào)用和查找符號引用等功能，結(jié)合代碼的分析可以很方便的找到另外的文件freq_table.c、cpufreq_stats.c和/include/linux/cpufreq.h。

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按照搜索出的信息流動方向，我們完全可以定位到需要分析的源碼文件。源碼定位這一步并非十分關(guān)鍵，因為我們不需要找出所有源碼文件，我們可以把部分工作推遲到分析代碼的過程中。源碼定位也比較關(guān)鍵，找到一部分源碼文件是分析源碼的基礎(chǔ)。
第三步：簡單注釋
在已定位好的源碼文件中，分析每個變量、宏、函數(shù)、結(jié)構(gòu)體等代碼元素的大致含義和功能。之所以稱此為簡單注釋，并非指這部分的注釋工作很簡單，而是指這部分的注釋可以不必過分細(xì)化，只要大致描述出相關(guān)代碼元素的含義即可。相反，這里的工作其實是整個分析流程中最困難的一步。因為這是第一次深入到內(nèi)核代碼的內(nèi)部，尤其是對于首次分析內(nèi)核源碼的人來說，大量的生疏GNU的C語法和鋪天蓋地的宏定義會令人很絕望。此時只要沉下心來，弄清每個關(guān)鍵的難點，才能保證以后碰到類似的難點不會再被困住。而且，我們對內(nèi)核相關(guān)的其他知識會不斷的像樹一樣擴(kuò)展開來。
比如在cpufreq.c文件開始就會出現(xiàn)“DEFINE_PER_CPU”宏的使用，我們通過查閱資料可以基本弄清這個宏的含義和功能。這里使用的手段和之前搜集資料使用的方法基本一致，另外我們也可以使用sourceinsight提供的轉(zhuǎn)到定義等功能查看它的定義，或者使用LKML（Linux Kernel Mail List）查閱，實在不行我們還可以到www.stackoverflow.com提問尋求解答（想了解什么是LKML和stackoverflow？搜集資料吧?。?。總之利用所有可能的手段，我們總能得到這個宏的含義——為每個CPU定義一個獨(dú)立使用的變量。
我們也不要強(qiáng)求一次就能把注釋描述的很準(zhǔn)確（我們甚至都沒必要弄清每個函數(shù)的具體實現(xiàn)流程，只要弄清大致功能含義即可），我們結(jié)合搜集到的資料和后邊代碼的分析不斷的完善注釋的含義（源碼中原有的注釋和標(biāo)識符命名在此很有利用價值）。通過不斷的注釋，不斷的查閱資料，不斷的修改注釋的含義。

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當(dāng)我們把所有涉及的源碼文件簡單注釋完畢后我們可以達(dá)到如下效果：
1．基本弄清了源碼中代碼元素存在的含義。
2．找出了該模塊所涉及的基本上全部的關(guān)鍵源碼文件。
結(jié)合之前搜集到的信息和資料對該待分析代碼的整體或者架構(gòu)描述，我們可以將分析的結(jié)果和資料對比，以確定和修正我們對代碼的理解。這樣，通過一遍的簡單注釋，我們就可以從整體上把握了源碼模塊的主要結(jié)構(gòu)。這也達(dá)到了我們簡單注釋的基本目的。
第四步：詳細(xì)注釋
完成代碼的簡單注釋后，可以認(rèn)為對模塊的分析工作完成了一半了，剩下的內(nèi)容就是對代碼的深入分析和徹底理解。簡單注釋總是不能將代碼元素的具體含義描述的十分精確，因此詳細(xì)注釋是十分有必要的。這一步中，我們需要弄清以下內(nèi)容：
1．變量定義在何時被使用。
2．宏定義的代碼何時被使用。
3．函數(shù)的參數(shù)和返回值的含義。
4．函數(shù)的執(zhí)行流程和調(diào)用關(guān)系。
5．結(jié)構(gòu)體字段的具體含義和使用條件。
我們甚至可以把這一步稱為函數(shù)詳細(xì)注釋，因為函數(shù)之外的代碼元素的含義基本上在簡單注釋中已經(jīng)比較明確了。而函數(shù)本身的執(zhí)行流程、算法等是這部分注釋和分析的主要任務(wù)。
比如cpufreq_ondemand策略的實現(xiàn)算法（函數(shù)dbs_check_cpu中）是如何實現(xiàn)的。我們需要逐步分析該函數(shù)使用的變量和調(diào)用的函數(shù)等信息，弄清算法的來龍去脈。最好的結(jié)果，我們需要這些復(fù)雜函數(shù)的執(zhí)行流程圖和函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖，這是最直觀的表達(dá)方式。

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通過這一步的注釋，我們基本上能完全把握待分析代碼整體的實現(xiàn)機(jī)制了。而所有的分析工作可以認(rèn)為完成了80%。這一步工作尤其關(guān)鍵，我們必須盡量讓注釋的信息足夠的準(zhǔn)確，才能更好的理解待分析代碼的內(nèi)部模塊的劃分。雖然Linux內(nèi)核中使用了宏語法“module_init”和“module_exit”聲明模塊文件，但是對模塊內(nèi)部子功能的劃分是建立在充分了解模塊的功能基礎(chǔ)上的。只有正確劃分好模塊，我們才能弄清模塊提供了哪些外部函數(shù)和變量（使用EXPORT_SYMBOL_GPL或者EXPORT_SYMBOL導(dǎo)出的符號）。才能繼續(xù)下一步的模塊內(nèi)標(biāo)識符依賴關(guān)系分析。
第五步：模塊內(nèi)部標(biāo)識符依賴關(guān)系
通過第四步對代碼模塊的劃分，我們就可以很“輕松”地逐個對模塊進(jìn)行分析。一般的，我們可以從文件底部的模塊出入口函數(shù)開始（“module_init”和“module_exit”聲明的函數(shù)，一般都在文件最后），根據(jù)它們調(diào)用的函數(shù)（自己定義的或者其他模塊的函數(shù)）和使用的關(guān)鍵變量（本文件內(nèi)的全局變量或者其他模塊的外部變量）畫出“函數(shù)-變量-函數(shù)”依賴關(guān)系圖——我們稱為標(biāo)識符依賴關(guān)系圖。
當(dāng)然，模塊內(nèi)標(biāo)識符依賴關(guān)系并非是單純的樹形結(jié)構(gòu)，很多情況是錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。這時候，我們對代碼的詳細(xì)注釋的作用就體現(xiàn)出來了。我們根據(jù)函數(shù)本身的含義，將模塊進(jìn)行子功能劃分，抽取出每個子功能的標(biāo)識符依賴樹。

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通過標(biāo)識符依賴關(guān)系分析，可以很清晰的展示模塊定義的函數(shù)調(diào)用了那些函數(shù)，使用了哪些變量，以及模塊子功能之間的依賴關(guān)系——公用了哪些函數(shù)和變量等。
第六步：模塊間相互依賴關(guān)系
一旦將所有的模塊內(nèi)部標(biāo)識符依賴關(guān)系圖整理完畢，根據(jù)模塊使用的其他模塊的變量或函數(shù)，可以很容易得到模塊之間的依賴關(guān)系。

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cpufreq代碼的模塊依賴關(guān)系可以表示為如下關(guān)系。

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第七步：模塊架構(gòu)圖
透過模塊間的依賴關(guān)系圖，可以很清楚的表達(dá)模塊在整個待分析代碼中的地位和功能?；诖耍覀兛梢詫⒛K分類，整理出代碼的架構(gòu)關(guān)系。

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如cpufreq的模塊依賴關(guān)系圖所示，我們可以很清楚的看到所有的調(diào)頻策略模塊都是依賴于核心模塊cpufreq、cpufreq_stats和freq_table的。如果我們把被依賴的三個模塊抽象為代碼的核心框架的話，這些調(diào)頻策略模塊都是建立在這個框架之上的，它們負(fù)責(zé)和用戶層交互。而核心模塊cpufreq提供了驅(qū)動等相關(guān)的接口負(fù)責(zé)與系統(tǒng)底層交互。因此，我們可以得到如下的模塊架構(gòu)圖。
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當(dāng)然，架構(gòu)圖并非模塊的無機(jī)拼接，我們還需要結(jié)合查閱的資料去豐富架構(gòu)圖的含義。因此，這里的架構(gòu)圖的細(xì)節(jié)會隨著不同的人的理解有所偏差。但是架構(gòu)圖主體的含義很基本一致的。至此，我們完成了待分析的內(nèi)核代碼的所有分析工作。
四、總結(jié)
正如文章開始所說，我們不可能對全部的內(nèi)核代碼進(jìn)行分析。因此，通過對待分析的代碼進(jìn)行信息搜集，然后按照上述的流程分析出代碼的原本始末是了解內(nèi)核本質(zhì)的有效手段。這種按照具體需要分析內(nèi)核代碼的方式，為快速進(jìn)入Linux內(nèi)核的世界提供了可能。通過這種方式，不斷的對內(nèi)核的其他模塊分析，最后綜合得到自己對Linux內(nèi)核的理解，也就達(dá)到了我們學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核的目的。
最后向大家推薦兩本學(xué)習(xí)內(nèi)核的參考書。一本是《Linux內(nèi)核的設(shè)計與實現(xiàn)》，該書為讀者快速精簡的介紹了Linux內(nèi)核的主要功能和實現(xiàn)。但不會把讀者帶入Linux內(nèi)核代碼的深淵中，是了解內(nèi)核架構(gòu)和入門Linux內(nèi)核代碼的非常好的參考書，同時該書會提高讀者對內(nèi)核代碼的興趣。另一本是《深入理解Linux內(nèi)核》，該書的經(jīng)典我不必多說。我只是建議，如果想更好的學(xué)習(xí)本書，最好是結(jié)合著內(nèi)核代碼一起閱讀。由于這本書對內(nèi)核代碼描述的十分詳細(xì)，所以結(jié)合代碼進(jìn)行閱讀可以幫助我們更好的理解內(nèi)核代碼。同時，在分析內(nèi)核代碼的過程中，也可以在本書中找到具有參考價值的資料。最后，愿大家早日進(jìn)入內(nèi)核的世界，體驗Linux帶給我們的驚喜！


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