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一、內核行數

Linux內核分為CPU調度、內存管理、網絡和存儲四大子系統，針對硬件的驅動成百上千。代碼的數量更是大的驚人。

先說說最早的內核linux 0.11，下面這本書可以說很多驅動工程師都學習過，我花了大概1個半月，勉強看了一遍。

再來看看內核代碼量的統計。

2020年1月1日，Linux內核Git源碼樹中的代碼達到了2780萬行。

phoronix網站統計了Linux內核在進入2020年時的一些源碼數據并作了總結。

從統計數據來看，Linux內核源碼樹共有：

27852148行(包括文檔、Kconfig文件、樹中的用戶空間實用程序等)、

887925次commit

21074位不同的作者

2780萬行代碼分布在66492個文件中。

Linux內核從最初的10000行代碼到現在的2780萬行代碼就是全球精英共同貢獻的結果。

按照一天一萬行的速度，也需要2700天，也需要7年多。

這還是建立在所有單次都認識，

所有代碼邏輯看了的都懂，

而且都不忘記的基礎上。

實際上即使我們真的看完了，

幾年后內核又會有非常大的變化，

可以說一輩子都看不完Linux內核的代碼。

Linux內核Git源碼樹中的代碼達到了2780萬行，核心代碼只有2%是由李納斯•托瓦茲自己編寫的，其他均是其他個人和組織貢獻的，李納斯•托瓦茲公開了Linux但保留了選擇新代碼和需要合并的新方法的最終裁定權。

除了Linus Torvalds，對內核貢獻最多的是David S.Miller、 Mark Brown、Takashi Iwai、Arnd Bergmann、Al Viro和Mauro Carvalho Chehab。

而參與貢獻的公司，從域名統計來看，谷歌、Intel與Red Hat排在了最前列。

二、內核目錄文件大小

然而，現在的內核已經膨脹的不成樣子了，以還不算最新的linux-4.1.15為例：

整個內核源碼一共約 793M：

驅動代碼占了大概一半，大約380M:

體系相關的代碼大約134M：

網路子系統相關的代碼26M：

文件系統相關的代碼37M:

linux內核核心代碼大約6.8M:

這些目錄任意一個目錄想完全看明白都非常不容易。

三、內核子系統

什么是內核：

在計算機科學中是一個用來管理軟件發出的數據I/O(輸入與輸出)要求的計算機程序，將這些要求轉譯為數據處理的指令并交由中央處理器(CPU)及計算機中其他電子組件進行處理，是現代操作系統中最基本的部分。

它是為眾多應用程序提供對計算機硬件的安全訪問的一部分軟件，這種訪問是有限的，并由內核決定一個程序在什么時候對某部分硬件操作多長時間。

linux內核代碼涉及知識點包括匯編指令、c語言、硬件組成原理、操作系統、數據結構和算法、各種外設總線、驅動、網絡協議棧。

直接對硬件操作是非常復雜的。所以內核通常提供一種硬件抽象的方法，來完成這些操作。

通過進程間通信機制及系統調用，應用進程可間接控制所需的硬件資源(特別是處理器及IO設備)。

最上面是用戶(或應用程序)空間。這是用戶應用程序執行的地方。用戶空間之下是內核空間，Linux 內核正是位于這里。

GNU C Library (glibc)也在這里。它提供了連接內核的系統調用接口，還提供了在用戶空間應用程序和內核之間進行轉換的機制。

內核和用戶空間的應用程序使用的是不同的保護地址空間。

每個用戶空間的進程都使用自己的虛擬地址空間，而內核則占用單獨的地址空間。

Linux 內核可以進一步劃分成 3 層。最上面是系統調用接口，它實現了一些基本的功能，例如 read 和 write。

系統調用接口之下是內核代碼，可以更精確地定義為獨立于體系結構的內核代碼。這些代碼是 Linux 所支持的所有處理器體系結構所通用的。

在這些代碼之下是依賴于體系結構的代碼，構成了通常稱為 BSP(Board Support Package)的部分。這些代碼用作給定體系結構的處理器和特定于平臺的代碼。

內核主要系統包括：SCI：系統調用接口 PM：進程管理 VFS：虛擬文件系統 MM：內存管理 Network Stack：內核協議棧 Arch：體系架構 DD：設備驅動

1 系統調用接口

SCI 層提供了某些機制執行從用戶空間到內核的函數調用。這個接口依賴于體系結構，甚至在相同的處理器家族內也是如此。

SCI 實際上是一個非常有用的函數調用多路復用和多路分解服務。

在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實現，并在 ./linux/arch 中找到依賴于體系結構的部分。

2 進程管理

進程管理的重點是進程的執行。

在內核中，這些進程稱為線程，代表了單獨的處理器虛擬化(線程代碼、數據、堆棧和 CPU 寄存器)。

在用戶空間，通常使用進程 這個術語，不過 Linux 實現并沒有區分這兩個概念(進程和線程)。

內核通過 SCI 提供了一個應用程序編程接口(API)來創建一個新進程(fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSIX] 函數)，停止進程(kill、exit)，并在它們之間進行通信和同步(signal 或者 POSIX 機制)。

3 內存管理

內核所管理的另外一個重要資源是內存。為了提高效率，如果由硬件管理虛擬內存，內存是按照所謂的內存頁方式進行管理的(對于大部分體系結構來說都是 4KB)。

Linux 包括了管理可用內存的方式，以及物理和虛擬映射所使用的硬件機制。

4 虛擬文件系統

虛擬文件系統(VFS)是 Linux 內核中非常有用的一個方面，因為它為文件系統提供了一個通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和內核所支持的文件系統之間提供了一個交換層。

在 VFS 上面，是對諸如 open、close、read 和 write 之類的函數的一個通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系統抽象，它定義了上層函數的實現方式。

它們是給定文件系統(超過 50 個)的插件。文件系統的源代碼可以在 ./linux/fs 中找到。

文件系統層之下是緩沖區緩存，它為文件系統層提供了一個通用函數集(與具體文件系統無關)。

這個緩存層通過將數據保留一段時間(或者隨即預先讀取數據以便在需要是就可用)優化了對物理設備的訪問。緩沖區緩存之下是設備驅動程序，它實現了特定物理設備的接口。

5 網絡堆棧

網絡堆棧在設計上遵循模擬協議本身的分層體系結構。

回想一下，Internet Protocol (IP) 是傳輸協議(通常稱為傳輸控制協議或 TCP)下面的核心網絡層協議。TCP 上面是 socket 層，它是通過 SCI 進行調用的。

socket 層是網絡子系統的標準 API，它為各種網絡協議提供了一個用戶接口。

從原始幀訪問到 IP 協議數據單元(PDU)，再到 TCP 和 User Datagram Protocol (UDP)，socket 層提供了一種標準化的方法來管理連接，并在各個終點之間移動數據。內核中網絡源代碼可以在 ./linux/net 中找到。

6 設備驅動程序

Linux 內核中有大量代碼都在設備驅動程序中，它們能夠運轉特定的硬件設備。

Linux 源碼樹提供了一個驅動程序子目錄，這個目錄又進一步劃分為各種支持設備，例如 Bluetooth、I2C、serial 等。設備驅動程序的代碼可以在 ./linux/drivers 中找到。

下面這個圖形象的講解了Linux內核都有哪些東西!

四、如何學習內核?

1. 學習主線

linux內核源碼大而全，一個人，即使再聰明、再有精力，也不可能完全看完、看懂所有的linux內核源碼。

一口君建議按照以下主線進行深入研究：

• linux驅動架構
• linux網絡子系統

linux內核啟動過程

• linux內存管理機制
• linux調度器
• linux進程管理
• linux虛擬機制(kvm)
• linux內核實時化技術

沿著某一個主線，深入進去，在研究清楚這個主線的同時，向其他的主線擴展、滲透和學習。

此處之所以將驅動列為學習內核的入口，是因為內核為很多外設驅動實現了架構， 比如I2C、SPI、UART、PCIE、字符設備、網絡設備、塊設備， 我們可以從最基本的字符設備學起， 學習如何編寫一個簡單的模塊 學習如何如何為一些簡單的設備比如LED、KEY、ADC等編寫驅動 可以說驅動是我們學習內核最簡單的入口，

由點到線、由線到面、由面到體，層層深入、不斷精進，是學習linux內核源碼的一個有效的方法。

2. 代碼閱讀工具

對于代碼閱讀方法從兩個角度來介紹，一個方面是需要選擇一個比較有效閱讀代碼的工具。

一口君強烈推薦：source insight這款閱讀代碼神器!

也可以使用vscode或者vim+ctags的組合。

不過一口君十幾年的從業經驗，

99%以上的開發人員都選擇SI閱讀內核代碼。

代碼并不是寫給人看的，而是交給機器運行的。

所以我們去理解別人的代碼時，并不能像看小說一樣去通篇的閱讀代碼，而應該是像研究化石一樣去調查它，解密它。

有時我們往往也需要把對方的一段代碼親手的實現一遍，然后自己舉一反三看自己會怎么去實現它，才能真正的理解。

3. 學習的內核版本

有些人推薦先閱讀一些低版本的內核，比如0.01版的，總代碼量才1萬行左右。

閱讀這個代碼大概一個月應該能比較清晰了。

但是，改代碼與現在的代碼差異巨大，閱讀后可以理解基本思想，但對理解現有代碼的幫助不是特別明顯。

3.10版本之后的內核都支持設備樹!

所以一口君建議是盡量選擇3.10版本之后的代碼閱讀學習。

最好選擇一款開發板學習!

開發板的選擇一定要選擇資料比較全，

售后比較好的品牌!

否則學習中遇到的一個小問題都可能被卡個一兩周。

無形中增加了學習的成本，

要知道時間就是金錢!

對于初學者來說，

強烈推薦正點原子的開發板!

4. 學習Linux最重要的是培養自己寫代碼的能力和對Linux框架結構的了解

Linux內核中絕大部分代碼都是由這個地球上頂尖的技術大牛所編寫，

這些代碼的高內聚低耦合，

其精準度，簡潔度、質量都相當的高，

每每看到一段高質量的代碼，

一口君都會被那一行行枯燥的代碼背后隱藏的設計思想所震撼，所折服!

閱讀內核的代碼簡直就是在欣賞藝術品!

很多粉絲問我如何提高自己的C語言編程水平， 一口君不厭其煩的 重復著同樣一句話：看Linux內核!

代碼中自由顏如玉!代碼中自有黃金屋!

我們一定要像泡妞一樣來泡內核!

時刻保持激情，任性和耐性!

耐住寂寞，天天讀它，泡她!

從量變到質變!

水滴石穿!

愿各位都能夠熟練掌握Linux

本文轉載自微信公眾號「一口Linux」