[系统运维]linux内核设计与实现---从内核出发

1 获取内核源码

在linux内核官方网站http://www.kernel.org，可以获得当前最新版本Linux源码码。如果想找一些老版本的源代码，可以：https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/下载。

安装内核源代码

内核压缩以GNU zip(gzip)和bzip2两种形式发布。以bzip2形式发布的Linux内核叫做linux-x.y.z.tar.bz2，这里x.y.z是内核源码的具体版本。如果压缩形式是bzip2，则运行：

tar rvjf linux-x.y.z.tar.bz2

如果压缩形式是GNU的zip，则运行：

tar xvzf linux-x.y.z.tar.gz

何处安装源码

内核源码一般安装在/usr/src/具体linux版本 目录下。不要以root身份对内核进行修改，而应当是，建立自己的主目录。仅以root身份安装新内核，即使在安装新内核时，/usr/src/linux目录都应当原封不动。

使用补丁

在linu内核社区中，补丁是通用语。你可以以补丁的形式发布对代码的修改，也可以以补丁的形式接收其他人所做的修改。内核版本不断更新，增量补丁可以作为版本转移的桥梁。你不在需要下载内核源码的全部压缩，而只需给旧版本打上一个增量补丁，让其旧貌换新颜，更新内核版本。只需运行：

patch-p1 < ../patch-x.y.z

一般来说，一个给定版本的内核补丁总是打在前一个版本上。

2 内核源码树

内核源码树由很多目录组成，而大多数目录又包含更多子目录。源码树的根目录及其子目录如下表：

在源码树根目录中，COPYING是内核许可证，CREDITS是开发者列表。MAINTAINERS是维护者列表，维护内核子系统和驱动程序。最后，Makefile是Makefile内核的基础

3 编译内核

在编译内核之前，首先你必须配置它。可以配置的各种选项，以CONFIG_FEATURE形式表示，其前缀为CONFIG。例如，对称处理器(SMP)的配置选项为CONFIG_SMP。如果设置了该选项，则SMP启用，否则，SMP不起作用。
这些配置项要么是二选一，要么是三选一。二选一就是yes或no。三选一可以是yes、no或module。module意味着该配置项被选定了，但编译的时候这部分功能的实现代码是以模块（一种可以动态安装的独立代码段）的形式生成。在三选一的情况下，yes表示把代码编译进内核映射中，而不是作为一个模块。

内核提供了各种不同的工具来简化内核配置。最简单的一种是基于文本的命令行工具：

make config

该工具会挨个遍历所有配置项，要求用户选择yes、no或module。

如果该命令不能执行，说明没有安装一些工具，可以根据提示安装，我的需要安装make、gcc、bison、flex

sudo apt-get install make gcc bison flex

这个过程很耗费时间，所以，除非你的工作是按小时计费的，否则你应该多利用基于ncuse编译的图形界面工具。

make menuconfig

或者基于X11的图形工具

make xconfig

或用基于gtk+图形工具

make gconfig

这三种工具将所有配置项分门别类放置，比如按处理器类别和特点，你可以按类移动、浏览内核选项，当然也可以修改其值。
命令：

make defconfig

通过这条命令为你的体系结构创建一个默认的配置。尽管这些默认值有点随意性，但是，如果你从未配置过内核，那就会提供一个良好的开端。

执行完，帮我配置的是x86_64_defconfig。这些配置项会存放在内核代码树根目录下的.config文件中，我们也可修改它，打开看看

再修改过配置文件之后，或者在用旧的配置文件配置新的代码树的时候，应该验证和更新配置：

make oldconfig

一旦内核配置好了，就可以编译它了，执行命令：

make

减少编译的垃圾信息

我们希望在编译时看到错误和警告消息，但对匆匆掠过屏幕的垃圾信息不感兴趣，可以使用如下命令

make > /dev/null

就可以把无用的输出信息重定向到永无返回值的黑洞/dev/null

衍生多个编译作业

多个作业独立并发运行，可以提高处理器系统上的编译过程。默认情况下，make只衍生一个作业。为了可以以多个作业编译内核，使用一下命令：

make -jn

n是要衍生的作业数，在实际中，每个处理器一般衍生一个或者两个作业。例如，在一个双处理器上，可以输入如下命令：

make -j4

安装内核

在内核编译好了之后，还需要安装它。怎么安装就和体系架构以及启动引导工具(boot loader)息息相关了—查阅启动引导工具的说明，按照它的指导将内核映像拷贝到合适的位置，并且按照启动要求安装它。一定要保证随时有一个或两个可以启动的内核，以放新编译的内核出现问题。
安装命令：

sudo  make install

模块的安装是自动的，也是独立于体系结构的。以root身份，只要运行：

sudo make modules_install

就可以把所有编译号的模块安装到正确的主目录/lib下


可以看到，编译的内核版本号是5.0.0

同时也列出了还有那个内核

查看现在使用的内核版本

启用指定内核作为引导

输入下列命令将内核作为引导，将数字更改为你自己编译的版本号：

sudo  update-initramfs -c -k 5.0.0

跟新一下grub：

sudo update-grub

之后重启即可在启动界面选择需要重启的内核。如果看不到重启选择界面，执行以下操作。
输入命令：

sudo  vim /etc/default/grub

注释掉hidden那一行，将timeout更改为较大值，这里改为了10

之后执行

sudo update-grub

重启即可看到下面此单，选择高级选项，进入后选择编译安装好的内核进入即可，

选择我们刚刚编译好的内核，5.0.0，倒数第二个

可以看到是我们编译的内核

4 内核开发的特点

没有libc库

与用户空间的应用程序不同，内核不能链接使用标准C函数库。最主要的原因是对于内核来说，完整的C库太大了，影响速度和大小。
大部分常用的C库函数在内核中都已经得到了实现。比如说操作字符串的函数组就位与lib/string.c文件中。只要包含<linux/string.h>头文件就可以使用。

头文件

内核源代码文件不能包含外部头文件，所说的头文件是指组成内核源代码树的内核头文件。
在没有实现的函数中，最著名的就数printf()函数了。内核代码虽然无法调用printf()，但它可以调用printk()函数。printk()函数负责把格式化好的字符串拷贝到内核日志缓存区上，这样，syslog程序就可以通过读取缓冲区来获取内核信息。

没有内存保护机制

如果一个用户程序试图进行一次非法的内存访问，内核会出现这个错误，发送SIGSEGV，并结束整个进程。然而，如果是内核自己非法访问了内存，那后果就很难控制了。内核中发生的内存错误会导致oops，这是内核中常见的一类错误。
此外，内核中的内存都不分页，也就是说，每用掉一个字节，物理内存就减少一个字节。所以，在你想往内核加入什么新功能的时候，要记住这一点。

容积小而固定的栈

内核栈的准确大小随体系结构而变，但都是两页，这就意味着，32位机的内核栈是8kb，而64位机是16kb。每个处理器都有自己的栈