10 年技術老兵，70個實驗秘籍，帶你輕松入門Linux內(nèi)核

有這么一個故事，一個程序員去相親，當女方問他的職業(yè)時，他說自己是一個底層架構工程師，女方聽到“底層”兩個字，很不屑地說：“底層啊，那你什么時候能升到中高層？”男方聽后不知該如何接話。在程序員的世界里，Linux內(nèi)核、底層其實是非?！案叨恕钡膬?nèi)容，普通程序員需要在這個領域里積累多年，才能修煉到從事“底層”工作的層次。

Linux內(nèi)核是當前操作系統(tǒng)領域的絕對霸主，同時也是開源軟件中一顆璀璨的明星。國內(nèi)外眾多的公司和行業(yè)都采用Linux作為首選的操作系統(tǒng)，學習Linux操作系統(tǒng)的人員也越來越多。Linux 內(nèi)核開發(fā)是一個讓人聽起來就覺得很了不起的工作，Linux 內(nèi)核開發(fā)領域的程序員與其他領域的程序員相比是少之又少，更別提一些優(yōu)秀的教程和書籍了。

《奔跑吧 Linux內(nèi)核 入門篇》一書從 Linux 發(fā)行版、開發(fā)工具、調試工具入手，講述了如何快速搭建內(nèi)核開發(fā)環(huán)境、如何正確地編寫和運行 Linux 內(nèi)核模塊，以及內(nèi)核開發(fā)中的一些基礎知識。本書有助于讀者在短時間內(nèi)理解內(nèi)核開發(fā)的全貌，從而具備內(nèi)核開發(fā)的能力。本書中實驗+案例，70余個創(chuàng)新實驗貫穿全書，與你分享業(yè)內(nèi)一線項目經(jīng)驗。

《奔跑吧 Linux內(nèi)核 入門篇》

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01

為什么要學Linux系統(tǒng)

Linux系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應用在人們的日常用品中，如手機、智能家居、汽車電子、可穿戴設備等，只不過很多人并不知道其使用的電子產(chǎn)品里面運行的是Linux系統(tǒng)。我們來看一下Linux基金會在2017年發(fā)布的一組數(shù)據(jù)。

90%的公有云應用在使用Linux系統(tǒng)。

62%的嵌入式市場在使用Linux系統(tǒng)。

99%的超級計算機在使用Linux系統(tǒng)。

82%的手機操作系統(tǒng)在使用Linux系統(tǒng)。

可能讀者還不知道，全球100萬個頂級域名中超過90%都在使用Linux；全球大部分的股票交易市場都是基于Linux系統(tǒng)來部署的，包括紐交所、納斯達克等；全球知名的淘寶網(wǎng)、亞馬遜網(wǎng)、易趣網(wǎng)、沃爾瑪?shù)入娮由虅掌脚_都在使用Linux。

這足以證明Linux系統(tǒng)是個人電腦操作系統(tǒng)之外的絕對霸主。參與Linux內(nèi)核開發(fā)的開發(fā)人員和公司也是最多、最活躍的，截至2017年有超過1600個開發(fā)人員和200家公司參與Linux內(nèi)核的開發(fā)。

02

如何學Linux內(nèi)核

Linux內(nèi)核采用C語言編寫，因此熟悉C語言是學習Linux內(nèi)核的基礎。讀者可以重溫C語言課程，然后閱讀一些經(jīng)典的C語言著作，如《C專家編程》《C陷阱和缺陷》和《C與指針》等。

對于剛剛接觸Linux的讀者，可以嘗試在自己的電腦中安裝一個Linux發(fā)行版，如優(yōu)麒麟Linux 18.04，并嘗試使用Linux作為操作系統(tǒng)。另外，建議讀者熟悉一些常用的命令，熟悉如何使用Vim和git等工具，嘗試去編譯和更換優(yōu)麒麟Linux的內(nèi)核核心。

然后，開始在Linux機器上做一些編程和調試的練習，如使用QEMU+GDB+Eclipse來單步調試內(nèi)核，熟悉GDB的使用等。

接下來，從一個簡單的設備驅動程序開始。選擇一個簡單的字符設備驅動，如觸摸屏驅動等。從編寫和調試設備驅動到深入Linux內(nèi)核的一些核心API的實現(xiàn)。

對Linux驅動有深刻的理解之后，就可以研究Linux內(nèi)核的一些核心API的實現(xiàn)，如malloc()和中斷線程化等。

學習Linux內(nèi)核的過程是枯燥的，但是又那么吸引人，它的魅力只有你深入后才能體會到。Linux內(nèi)核是全球頂級的程序員編寫的，你每看一行代碼，就好像和全球頂級的高手交流和過招，這種體驗是在大學和其他項目上無法得到的。

因此，對于Linux愛好者來說，不要僅停留在會安裝Linux和配置服務的層面，還要深入學習Linux內(nèi)核。

03

本書特色

循序漸進地講述Linux內(nèi)核入門知識。

Linux內(nèi)核龐大而復雜，任何一本厚厚的Linux內(nèi)核書都可能會讓人看得昏昏欲睡。因此，對于初學者來說，Linux內(nèi)核的入門需要循序漸進，一步一個腳印。初學者可以從如何編譯Linux內(nèi)核開始入門，學習如何調試Linux內(nèi)核，動手編寫一個簡單的內(nèi)核模塊，逐步深入Linux內(nèi)核的核心模塊中。

為了降低讀者的學習難度，本書不會分析Linux內(nèi)核的源代碼，要深入理解Linux內(nèi)核源代碼的實現(xiàn)，可以參考《奔跑吧 Linux內(nèi)核》。

突出動手實驗。

對于初學者，理解操作系統(tǒng)最好的辦法之一就是動手實驗。因此，本書在每章中都設置了幾個經(jīng)典的實驗，讀者可以在學習基礎知識后通過實驗來加深理解。本書所有的實驗都可以在優(yōu)麒麟Linux 18.04系統(tǒng)中完成。

反映Linux內(nèi)核社區(qū)新發(fā)展。

除了介紹Linux內(nèi)核的基本理論之外，本書還介紹了當前Linux社區(qū)中新的開發(fā)工具和社區(qū)運作方式，比如如何使用Vim 8閱讀Linux內(nèi)核代碼、如何使用git工具進行社區(qū)開發(fā)、如何參與社區(qū)開發(fā)等。

結合QEMU調試環(huán)境講述，并給出大量內(nèi)核調試技巧。

在學習Linux內(nèi)核時，大多數(shù)人都希望有一個功能全面且好用的圖形化界面來單步調試內(nèi)核。本書會介紹一種單步調試內(nèi)核的方法，即Eclipse+QEMU+GDB。另外，本書提供首個采用“-O0”編譯和調試Linux內(nèi)核的實驗，可以解決調試時出現(xiàn)的光標亂跳和等問題。本書也會介紹實際工程中很實用的內(nèi)核調試技巧，例如ftrace、systemtap、內(nèi)存檢測、死鎖檢測、動態(tài)打印技術等，這些都可以在QEMU+ ARM Linux的模擬環(huán)境下做實驗。

配備豐富的電子教案和視頻資源。

本書會在出版之后陸續(xù)提供配套的電子教案，并錄制相應的配套教學視頻，請關注異步社區(qū)官網(wǎng)和微信公眾號。

04

Linux內(nèi)核實驗入門

實驗1：在虛擬機中安裝優(yōu)麒麟Linux 18.04系統(tǒng)

通過本實驗熟悉Linux系統(tǒng)的安裝過程。首先，要在虛擬機上安裝優(yōu)麒麟18.04版本的Linux。掌握了安裝方法之后，讀者可以在真實的物理機器上安裝Linux。

1）從優(yōu)麒麟官方網(wǎng)站上下載優(yōu)麒麟18.04的安裝程序。

2）到VMware官網(wǎng)下載VMware Workstation Player。這個工具對于個人用戶是免費的，對于商業(yè)用戶是收費的，如圖1.1所示。

圖1.1　免費安裝VMware Workstation Player

3）打開VMware Player。在軟件的主界面中選擇“Create a New Virtual Machine”。

4）在New Virutal Machine Wizard界面中，選擇“Installer disc image file（iso）”單選按鈕，單擊Browse按鈕，選擇剛才下載的安裝程序，如圖1.2所示。然后，單擊“Next” 按鈕。

圖1.2　選擇下載的安裝介質

5）在彈出的窗口中輸入即將要安裝的Linux的用戶名和密碼，如圖1.3所示

圖1.3　輸入用戶名和密碼

6）設置虛擬機的磁盤空間，盡可能設置得大一點。虛擬機的磁盤空間是動態(tài)分配的，如這里設置了200GB，但并不會馬上在主機上分配200GB的磁盤空間，如圖1.4所示。

圖1.4　設置磁盤空間

7）可以在Customize Hardware選項里重新對一些硬件進行配置，如把內(nèi)存設置得大一點。完成VMware Player的設置之后，就會馬上進入虛擬機。

8）在虛擬機中會自動執(zhí)行安裝程序，如圖1.5所示。安裝完成之后，自動重啟并顯示新安裝系統(tǒng)的登錄界面，如圖1.5和1.6所示。

圖1.6　配置硬件

圖1.7　Vmware Workstation 14 Player登錄界面（1）

圖1.8　Vmware Workstation 14 Player登錄界面（2）

實驗2：給優(yōu)麒麟Linux系統(tǒng)更換“心臟”

1）學會如何給Linux系統(tǒng)更換最新版本的Linux內(nèi)核。

2）學習如何編譯和安裝Linux內(nèi)核。

在編譯Linux內(nèi)核之前，需要安裝如下軟件包。

到Linux內(nèi)核的官方網(wǎng)站中下載最新的版本，比如寫作本書時最新并且穩(wěn)定的內(nèi)核版本是Linux 4.16.3，其界面如圖1.9所示。Linux內(nèi)核的版本號分成3部分，第一個數(shù)字表示主版本號，第二個數(shù)字表示次版本號，第三個數(shù)字表示修正版本號。

圖1.9　Linux內(nèi)核

可以通過如下命令對下載的xz壓縮包進行解壓：

解壓完成之后，可以通過make menuconfig來進行內(nèi)核配置，如圖1.10所示。

圖1.10　內(nèi)核配置

除了手工配置Linux內(nèi)核的選項之外，還可以直接復制優(yōu)麒麟Linux系統(tǒng)中自帶的配置文件。

開始編譯內(nèi)核，其中-jn中的“n”表示使用多少個CPU核心來并行編譯內(nèi)核。

為了查看系統(tǒng)中有多少個CPU核心，可以通過如下命令實現(xiàn)。

processor這一項等于7，說明系統(tǒng)有8個CPU核心，因為是從0開始計數(shù)的，所以剛才那個make -jn的命令就可以寫成make -j8了。

編譯內(nèi)核是一個漫長的過程，可能需要幾十分鐘時間，這取決于電腦的運算速度和配置的內(nèi)核選項。

通過make編譯完成之后，下一步需要編譯和安裝內(nèi)核的模塊。

最后一步就是把編譯好的內(nèi)核鏡像安裝到優(yōu)麒麟Linux系統(tǒng)中。

完成之后就可以重啟電腦，登錄最新的系統(tǒng)了。

《奔跑吧 Linux內(nèi)核 入門篇》

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原理+基礎，從調試Linux內(nèi)核到動手編寫一個簡單的內(nèi)核模塊，真正從零開始學習Linux內(nèi)核。

實驗+案例，70余個創(chuàng)新實驗貫穿全書，與你分享業(yè)內(nèi)一線項目經(jīng)驗。

課件+視頻，教學資源豐富，視頻講解透徹，與你共享精品在線配套資源。

涵蓋當前Linux社區(qū)中新的開發(fā)工具和社區(qū)運作方式，反映Linux內(nèi)核社區(qū)新發(fā)展。

本書是一本介紹Linux內(nèi)核實踐的入門書，基于Linux 4.0內(nèi)核，重點講解Linux內(nèi)核的理論和實驗。本書分為12章，包括Linux系統(tǒng)入門、Linux內(nèi)核基礎知識、內(nèi)核編譯和調試、內(nèi)核模塊、簡單的字符設備驅動、系統(tǒng)調用、內(nèi)存管理、進程管理、同步管理、中斷管理、調試和性能優(yōu)化，以及如何參與開源社區(qū)等內(nèi)容。此外，本書還介紹了Linux內(nèi)核社區(qū)常用的開發(fā)工具和理論，如Vim 8和git工具等。書中包括70多個實驗，幫助讀者深入理解Linux內(nèi)核。

本文轉載自異步社區(qū)。

原文鏈接：https://www.epubit.com/articleDetails?id=Nca4252b1-8f21-498c-a7af-d336d3580fcd

軟件開發(fā) 高性能計算

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