第2章   代 碼 初 識(shí)本章首先從較高層次介紹Linux內(nèi)核源程序的概況，這些都是大家關(guān)心的一些基本特點(diǎn)。隨后將簡(jiǎn)要介紹一些實(shí)際代碼。最后介紹如何編譯內(nèi)核。2.1   Linux內(nèi)核源程序的部分特點(diǎn)在過(guò)去的一段時(shí)期，Linux內(nèi)核同時(shí)使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。這兩種語(yǔ)言需要一定的平衡：C語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼移植性較好、易于維護(hù)，而匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序則速度較快。一般只有在速度是關(guān)鍵因素或者一些因平臺(tái)相關(guān)特性而產(chǎn)生的特殊要求（例如直接和內(nèi)存管理硬件進(jìn)行通訊）時(shí)才使用匯編語(yǔ)言。正如實(shí)際中所做的，即使內(nèi)核并未使用C++的對(duì)象特性，部分內(nèi)核也可以在g++（GNU的C++編譯器）下進(jìn)行編譯。同其他面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言相比較，相對(duì)而言C++的開(kāi)銷(xiāo)是較低的，但是對(duì)于內(nèi)核開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，這已經(jīng)是太多了。內(nèi)核開(kāi)發(fā)人員不斷發(fā)展編程風(fēng)格，形成了Linux代碼獨(dú)有的特色。本節(jié)將討論其中的一些問(wèn)題。2.1.1   gcc特性的使用Linux內(nèi)核被設(shè)計(jì)為必須使用GNU的C編譯器gcc來(lái)編譯，而不是任何一種C編譯器都可以使用。內(nèi)核代碼有時(shí)要使用gcc特性，本書(shū)將陸續(xù)介紹其中的一部分。一些gcc特有代碼只是簡(jiǎn)單地使用gcc語(yǔ)言擴(kuò)展，例如允許在C（不只是C++）中使用inline關(guān)鍵字指示內(nèi)聯(lián)函數(shù)。也就是說(shuō)，代碼中被調(diào)用的函數(shù)在每次函數(shù)調(diào)用時(shí)都會(huì)被擴(kuò)充，因而就可以節(jié)約實(shí)際函數(shù)調(diào)用的開(kāi)銷(xiāo)。一般情況下，代碼的編寫(xiě)方式比較復(fù)雜。因?yàn)閷?duì)于某些類(lèi)型的輸入，gcc能夠產(chǎn)生比其他輸入效率更高的執(zhí)行代碼。從理論上講，編譯器可以?xún)?yōu)化具有相同功能的兩種對(duì)等的方法，并且得到相同的結(jié)果。因此，代碼的編寫(xiě)方式是無(wú)關(guān)緊要的。但在實(shí)際上，用某種方法編寫(xiě)所產(chǎn)生的代碼要比用另外一些方法編寫(xiě)所產(chǎn)生的代碼執(zhí)行速度快許多。內(nèi)核開(kāi)發(fā)人員知道怎樣才能產(chǎn)生更高效的執(zhí)行代碼，這不斷地在他們編寫(xiě)的代碼中反映出來(lái)。例如，考慮內(nèi)核中經(jīng)常使用的goto語(yǔ)句—為了提高速度，內(nèi)核中經(jīng)常大量使用這種一般要避免使用的語(yǔ)句。在本書(shū)中所包含的不到40 000行代碼中，一共有500多條goto語(yǔ)句，大約是每80行一個(gè)。除匯編文件外，精確的統(tǒng)計(jì)數(shù)字是接近每72行一個(gè)goto語(yǔ)句。公平地說(shuō)，這是選擇偏向的結(jié)果：比例如此高的原因之一是本書(shū)中涉及的是內(nèi)核源程序的核心，在這里速度比其他因素都需要優(yōu)先考慮。整個(gè)內(nèi)核的比例大概是每260行一個(gè)goto語(yǔ)句。然而，這仍然是我不再使用Basic進(jìn)行編程以來(lái)見(jiàn)過(guò)的使用goto頻率最高的地方。代碼必需受特定編譯器限制的特性不僅與普通應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)有很大不同，而且也不同于大多數(shù)內(nèi)核的開(kāi)發(fā)。大多數(shù)的開(kāi)發(fā)人員使用C語(yǔ)言編寫(xiě)代碼來(lái)保持較高的可移植性，即使在編寫(xiě)操作系統(tǒng)時(shí)也是如此。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，最為重要的一點(diǎn)是一旦出現(xiàn)更好的編譯器，程序員們可以隨時(shí)進(jìn)行更換。內(nèi)核對(duì)于gcc特性的完全依賴(lài)使得內(nèi)核向新的編譯器上移植更加困難。最近Linus對(duì)這一問(wèn)題在有關(guān)內(nèi)核的郵件列表上表明了自己的觀點(diǎn)：“記住，編譯器只是一個(gè)工具。”這是對(duì)依賴(lài)于gcc特性的一個(gè)很好的基本思想的表述：編譯器只是為了完成工作。如果通過(guò)遵守標(biāo)準(zhǔn)還不能達(dá)到工作要求，那么就不是工作要求有問(wèn)題，而是對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的依賴(lài)有問(wèn)題。在大多數(shù)情況下，這種觀點(diǎn)是不能被人所接受的。通常情況下，為了保證和程序語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的一致，開(kāi)發(fā)人員可能需要犧牲某些特性、速度或者其他相關(guān)因素。其他的選擇可能會(huì)為后期開(kāi)發(fā)造成很大的麻煩。但是，在這種特定的情況下，Linus是正確的。Linux內(nèi)核是一個(gè)特例，因?yàn)槠鋱?zhí)行速度要比向其他編譯器的可移植性遠(yuǎn)為重要。如果設(shè)計(jì)目標(biāo)是編寫(xiě)一個(gè)可移植性好而不要求快速運(yùn)行的內(nèi)核，或者是編寫(xiě)一個(gè)任何人都可以使用自己喜歡的編譯器進(jìn)行編譯的內(nèi)核，那么結(jié)論就可能會(huì)有所不同了；而這些恰好不是Linux的設(shè)計(jì)目標(biāo)。實(shí)際上，gcc幾乎可以為所有能夠運(yùn)行Linux的CPU生成代碼，因此，對(duì)于gcc的依賴(lài)并不是可移植性的嚴(yán)重障礙。在第3章中我們將對(duì)內(nèi)核設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。2.1.2   內(nèi)核代碼習(xí)慣用語(yǔ)內(nèi)核代碼中使用了一些顯著的習(xí)慣用語(yǔ)，本節(jié)將介紹常用的幾個(gè)。當(dāng)通讀源代碼時(shí)，真正重要的問(wèn)題并不在這些習(xí)慣用語(yǔ)本身，而是這種類(lèi)型的習(xí)慣用語(yǔ)的確存在，而且是不斷被使用和發(fā)展的。如果你需要編寫(xiě)內(nèi)核代碼，你應(yīng)該注意到內(nèi)核中所使用的習(xí)慣用語(yǔ)，并把這些習(xí)慣用語(yǔ)應(yīng)用到你的代碼中。當(dāng)通讀本書(shū)（或者代碼）時(shí)，看看你還能找到多少習(xí)慣用語(yǔ)。為了討論這些習(xí)慣用語(yǔ)，我們首先需要對(duì)它們進(jìn)行命名。為了便于討論，筆者創(chuàng)造了這些名字。而在實(shí)際中，大家不一定非要參考這些用語(yǔ)，它們只是對(duì)內(nèi)核工作方式的描述而已。一個(gè)普通的習(xí)慣用語(yǔ)，筆者稱(chēng)之為“資源獲取”（resource acquisition idiom）。在這個(gè)用語(yǔ)中，一個(gè)函數(shù)必須實(shí)現(xiàn)一系列資源的獲取，包括內(nèi)存、鎖等等（這些資源的類(lèi)型未必相同）。只有成功地獲取當(dāng)前所需要的資源之后，才能處理后面的資源請(qǐng)求。最后，該函數(shù)還必須釋放所有已經(jīng)獲取的資源，而不必考慮沒(méi)有獲取的資源。我采用“錯(cuò)誤變量”這一用語(yǔ)（error variable idiom）來(lái)輔助說(shuō)明資源獲取用語(yǔ)，它使用一個(gè)臨時(shí)變量來(lái)記錄函數(shù)的期望返回值。當(dāng)然，相當(dāng)多的函數(shù)都能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。但是錯(cuò)誤變量的不同點(diǎn)在于它通常是用來(lái)處理由于速度的因素而變得非常復(fù)雜的流程控制中的問(wèn)題。錯(cuò)誤變量有兩個(gè)典型的值，0（表示成功）和負(fù)數(shù)（表示有錯(cuò)）。這兩個(gè)用語(yǔ)結(jié)合使用，我們就可以十分自然地得到符合模式的代碼如下：（注意變量err是使用錯(cuò)誤變量的一個(gè)明確實(shí)例，同樣，諸如out之類(lèi)的標(biāo)號(hào)則指明了資源獲取用語(yǔ)的使用。）如果執(zhí)行到標(biāo)號(hào)out2，則都已經(jīng)獲取了r1和r2資源，而且也都需要進(jìn)行釋放。如果執(zhí)行到標(biāo)號(hào)out1（不管是順序執(zhí)行還是使用goto語(yǔ)句進(jìn)行跳轉(zhuǎn)到），則r2資源是無(wú)效的（也可能剛被釋放），但是r1資源卻是有效的，而且必需在此將其釋放。同理，如果標(biāo)號(hào)out能被執(zhí)行，則r1和r2資源都無(wú)效，err所返回的是錯(cuò)誤或成功標(biāo)志。在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，對(duì)err的一些賦值是沒(méi)有必要的。在實(shí)踐中，實(shí)際代碼必須遵守這種模式。這樣做的原因主要在于同一行中可能包含有多種測(cè)試，而這些測(cè)試應(yīng)該返回相同的錯(cuò)誤代碼，因此對(duì)錯(cuò)誤變量統(tǒng)一賦值要比多次賦值更為簡(jiǎn)單。雖然在這個(gè)例子中對(duì)于這種屬性的必要性并不非常迫切，但是我還是傾向于保留這種特點(diǎn)。有關(guān)的實(shí)際應(yīng)用可以參考sys_shmctl（第21654行），在第9章中還將詳細(xì)介紹這個(gè)例子。2.1.3   減少#if和#ifdef的使用現(xiàn)在的Linux內(nèi)核已經(jīng)移植到不同的平臺(tái)上，但是我們還必須解決移植過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題。大部分支持各種不同平臺(tái)的代碼由于包含許多預(yù)處理代碼而已經(jīng)變得非常不規(guī)范，例如：這個(gè)例子試圖實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的可移植性，雖然Linux關(guān)注的焦點(diǎn)很明顯是實(shí)現(xiàn)代碼在各種CPU上的可移植性，但是二者的基本原理是一致的。對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題來(lái)說(shuō)，預(yù)處理器是一種錯(cuò)誤的解決方式。這些雜亂的問(wèn)題使得代碼晦澀難懂。更為糟糕的是，增加對(duì)新平臺(tái)的支持有可能要求重新遍歷這些雜亂分布的低質(zhì)量代碼段（實(shí)際上你很難能找到這類(lèi)代碼段的全部）。與現(xiàn)有方式不同的是，Linux一般通過(guò)簡(jiǎn)單函數(shù)（或者是宏）調(diào)用來(lái)抽象出不同平臺(tái)間的差異。內(nèi)核的移植可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)適合于相應(yīng)平臺(tái)的函數(shù)（或宏）來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣不僅使代碼的主體簡(jiǎn)單易懂，而且在移植的過(guò)程中還可以比較容易地自動(dòng)檢測(cè)出你沒(méi)有注意到的內(nèi)容：如引用未聲明函數(shù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)鏈接錯(cuò)誤。有時(shí)用預(yù)處理器來(lái)支持不同的體系結(jié)構(gòu)，但這種方式并不常用，而相對(duì)于代碼風(fēng)格的變化就更是微不足道了。順便說(shuō)一下，我們可以注意到這種解決方法和使用用戶(hù)對(duì)象（或者C語(yǔ)言中充滿(mǎn)函數(shù)指針的struct結(jié)構(gòu)）來(lái)代替離散的switch語(yǔ)句處理不同類(lèi)型的方法十分相似。在某些層次上，這些問(wèn)題和解決方法是統(tǒng)一的。可移植性的問(wèn)題并不僅限于平臺(tái)和CPU的移植，編譯器也是一個(gè)重要的問(wèn)題。此處為了簡(jiǎn)化，假設(shè)Linux只使用gcc來(lái)編譯。由于Linux只使用同一個(gè)編譯器，所以就沒(méi)有必要使用#if塊（或者#ifdef塊）來(lái)選擇不同的編譯器。內(nèi)核代碼主要使用#ifdef來(lái)區(qū)分需要編譯或不需要編譯的部分，從而對(duì)不同的結(jié)構(gòu)提供支持。例如，代碼經(jīng)常測(cè)試SMP宏是否定義過(guò)，從而決定是否支持SMP機(jī)。2.2   代碼樣例了解Linux代碼風(fēng)格最好的方法就是實(shí)際研究一下它的部分代碼。即使你不完全理解本節(jié)所討論代碼的細(xì)節(jié)也無(wú)關(guān)緊要，畢竟本節(jié)的主要目的不是理解代碼，一些讀者可以只對(duì)本節(jié)進(jìn)行瀏覽。本節(jié)的主要目的是讓讀者對(duì)Linux代碼進(jìn)行初步了解，為今后的工作提供必要基礎(chǔ)。該討論將涉及部分廣泛使用的內(nèi)核代碼。2.2.1   printkprintk（25836行）是內(nèi)核內(nèi)部消息日志記錄函數(shù)。在出現(xiàn)諸如內(nèi)核檢測(cè)到其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不一致的事件時(shí)，內(nèi)核會(huì)使用printk把相關(guān)信息打印到系統(tǒng)控制臺(tái)上。對(duì)于printk的調(diào)用一般分為如下幾類(lèi)：