Linux内核设计基础（十）之内核开发与总结

（1）Linux层次结构：

（2）Linux内核组成：

主要由进程调度（SCHED）、内存管理（MM）、虚拟文件系统（VFS）、网络接口（NET）和进程间通信（IPC）等5个子系统组成。

（3）与Unix的差异：

• Linux支持动态载入内核模块
• 支持对称多处理（SMP）机制
• Linux内核能够抢占
• Linux内核并不区分线程和其它的一般进程
• Linux提供具有设备类的面向对象的设备模型、热插拔事件，以及用户空间的设备文件系统（sysfs）

（4）内核开发的特点：

• 内核编程时既不能訪问C库也不能訪问标准的C头文件
• 内核编程时必须使用GNU C
• 内核编程时缺乏像用户空间那样的内存保护机制
• 内核编程时难以运行浮点运算
• 内核给每一个进程仅仅有一个非常小的定长堆栈
• 因为内核支持异步中断、抢占和SMP，因此必须时刻注意同步和并发
• 要考虑可移植性的重要性

（5）模块的编写及执行：

来个Hello World，程序猿的老朋友了。

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

/*
 * hello_init 初始化函数，当模块装载时被调用，假设装载成功返回0，
 * 否则返回非零值
 */
static int hello_init(void)
{
  printk(KERN_ALERT "I bear a charmed life.\n");
  return 0;
}

/*
 * hello_exit 退出函数，当模块卸载时被调用
 */
static void hello_exit(void)
{
  printk(KERN_ALERT "Out, out, brief candle!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Qiushan");
MODULE_DESCRIPTION("A Hello, World Module");

这是最简单的内核模块，hello_init()是模块的入口点，通过module_init()注冊到系统，在被装载时被调用。另外全部模块初始化函数必须符合以下的形式：

int my_init(void);

以下是Makefile的演示样例：

obj-m := hello.o

make -C /kernel/source/location SUBDIRS=$PWD modules

然后运行

sudo make modules_install

sudo insmod hello.ko //装载

sudo rmmod hello //卸载

（6）移植要注意对齐：

假设一个变量的内存地址正好是它长度的整数倍，那它就自然对齐。如，对于一个32位类型的数据，假设它在内存中的地址刚好能够被4整除（也就是最低两位为0），那它就自然对齐。对于RISC，加载未对齐的数据会导致处理器陷入。

对齐原则：

• 对于标准数据类型，地址仅仅要是其长度的整数倍就对齐了。
• 对于数组，仅仅要依照基本数据类型进行对齐就行了，随后的全部元素自然可以对齐。
• 对于联合体，仅仅要它包括的长度最大的数据类型可以对齐就行了。
• 对于结构体，仅仅要结构体中每一个元素可以正确对齐就行了。

对于结构体，这里介绍一个样例：

struct animal_struct {
  char dog;                   /* 1 byte */
  unsigned long cat;    /* 4 bytes */
  unsigned short pig;  /* 2 bytes */
  char fox;                  /* 1 byte */
};

这可不是每一个元素正确对齐。实际上编译器会作例如以下变动：

struct animal_struct {
  char dog;                   /* 1 byte */
  u8 __pad0[3];            /* 3 bytes */
  unsigned long cat;     /* 4 bytes */
  unsigned short pig;   /* 2 bytes */
  char fox;                    /* 1 byte */
  u8 __pad1;               /* 1 byte */
};

第一个填充__pad0是为了保证cat能够依照4字节对齐，这样自己主动使其他小对象都对齐了，最后一个填充__pad1是为了填补struct本身的大小，是这个结构体长度能被4整除，这样，由该结构体组成的数组中，每一个数组项也就会自然对齐了。

struct animal_struct {
  unsigned long cat;     /* 4 bytes */
  unsigned short pig;   /* 2 bytes */
  char dog;                    /* 1 byte */
  char fox;                     /* 1 byte */
};