ARM Linux内核源码剖析

内容概要

作者简介：

尹锡训

mindwave@nate.com

所在公司的主营业务是在Linux、安卓系统上制作无线终端，担任工程师已有3年。一直用C语言、Python、Java开发各种产品。最近把对未来的期待、展望与精力集中到Linux内核以及创业上，并不断为之努力。

崔范松

吉林人，毕业于长春工业大学法学专业。大量接触并翻译过各类计算机图书及相关资料，并从事过游戏策划及软件测试工作。喜欢散步、旅游等户外运动，梦想成为一名自由职业者。

书籍目录

第一部分　ARM Linux内核——分析内核前需要做的准备

第1章　内核介绍及2.6版和3.2版 之间的差异　　2

1.1 　内核的诞生、作用以及内部结构　　2

1.1.1 　Linus创造的Linux　　2

1.1.2 　由多种子系统集成运行的单内核　　3

1.1.3 　全世界最著名的通用操作系统　　5

1.2 　内核2.6版和3.2版之间的差异　　5

第2章　内核构建系统　　8

2.1 　内核初始化　　8

2.2 　内核配置　　9

2.3 　内核构建　　11

2.4 　内核安装　　17

第3章　了解ARM处理器　　19

3.1 　处理器概要和特征　　19

3.2 　处理器架构与核心　　19

3.3 　处理器命名规则　　21

3.4 　处理器内部结构　　21

3.5 　处理器模式和寄存器　　23

3.6 　处理器异常　　25

3.7 　硬件扩展功能　　26

3.7.1 　缓存　　26

3.7.2 　内存管理装置　　26

3.7.3 　协处理器　　26

第4章　构建分析环境　　28

4.1 　下载并安装Linux源内核　　28

4.1.1 　下载源内核　　28

4.1.2 　安装源内核　　30

4.2 　安装ctags+cscope　　31

4.2.1 　用ctags制作源代码标签　　31

4.2.2 　制作cscope标签数据库　　33

4.3 　vim插件下载及环境设置　　34

4.3.1 　下载vim插件　　34

4.3.2 　vim+plugin的环境结构　　37

4.3.3 　vim环境设置　　38

4.4 　查看源码分析环境工具　　40

第二部分　内核的启动——start_kernel调用方法

第5章　准备解压内核　　48

5.1 　进入启动加载后结束首个启动——start 标签　　49

5.2 　BSS系统域初始化——not_relocated 标签　　50

5.3 　激活缓存——cache_on 标签　　53

5.4 　页目录项初始化——__setup_mmu 标签　　56

5.5 　指令缓存激活及缓存策略适用——__common_mmu_cache_on 标签　　58

第6章　从压缩的内核zImage 还原内核映像　　60

6.1 　解压内核并避免覆写——wont_overwrite、decompress_kernel标签　　61

6.2 　调用已解压内核——call_kernel标签　　62

6.3 　缓存清理及清除——cache_clean_flush 标签　　62

6.4 　缓存禁用——cache_off 标签　　64

第7章　调用start_kernel()　　65

7.1 　初始化指向——stext标签　　65

7.2 　处理器信息搜寻——__look_processor_type　　69

7.2.1 　__lookup_processor_type标签　　69

7.2.2 　__proc_info_begin和__proc_info_end中保存的信息　　71

7.2.3 　在MMU禁用状态下将虚拟地址转换为物理地址　　73

7.2.4 　查找proc_info_list 结构体并比较处理器信息　　74

7.3 　搜寻我的机型——__lookup_machine_type　　75

7.3.1 　__lookup_machine_type标签　　75

7.3.2 　保存在__arch_info_begin和__arch_info_end中的machine_desc信息及访问路径　　76

7.3.3 　查找machine_desc结构体并比较机器信息　　77

7.4 　源自启动加载项的atags——__vet_atags标签　　78

7.5 　对虚拟内存进行基础创建——__create_page_tables标签　　81

7.6 　设置核心（core）——v6_setup标签　　85

7.7 　打开MMU并使用虚拟地址——__enable_mmu/__turn_mmu_on标签　　86

7.8 　跳转至start_kernel——__mmap_switched 标签　　90

第三部分　内核的执行——内核的起始与结束位置

第8章　start_setup_processor_id()~lock_kernel()　　94

8.1 　smp_setup_processor_id()、lockdep_init()、debug_objects_early_init()　　95

8.1.1 　smp_setup_processor_id()　　95

8.1.2 　lockdep_init()　　95

8.1.3 　debug_objects_early_init()　　96

8.2 　栈溢出感应——__boot_init_stack_canary　　98

8.3 　初始化提供进程集成方法的cgroup——__cgroup_init_early()　　98

8.3.1 　cgroupfs_root和cgroup的关联初始化——init_cgroup_root()　　102

8.3.2 　初始化子系统——cgroup_init_subsys()　　103

8.4 　禁用IRQ　　104

8.5 　early_boot_irqs_off()、early_init_irq_lock_class()　　104

8.6 　大内核锁——lock_kernel()　　106

第9章　注册针对时钟事件的处理器　　111

9.1 　函数的声明和定义——tick_init()　　111

9.2 　注册处理事件的处理器——_clockevents_register_notifier()　　113

9.2.1　　为clockevents_lock添加自旋锁　　114

9.2.2　　clockevents_chain生成原理　　115

9.2.3　　在clockevents_chain中注册tick_notifier的方法　　116

9.2.4　　对clockevents_lock解除自旋锁的原理　　117

第10章　在CPU位图中注册当前运行CPU/初始化HIGHMEM管理　　119

10.1 　在包含热插拔信息的位图上添加执行init_task的CPU——boot_cpu_init()　　119

10.2 　管理高端内存——page_address_init()　　121

第11章　整体指向——setup_arch　　123

第12章　unwind_init()~early_trap_init()　　126

12.1 　栈回溯——unwind_init()　　126

12.2 　求出包含机器信息的machine_desc结构体——setup_machine()　　126

12.3 　处理ATAG信息——setup_arch()　　127

12.4 　处理启动参数——parse_cmdline()　　129

12.5 　构建源代码树——request_standard_resources()　　131

12.6 　初始化cpu possible位图——smp_init_cpus()　　136

12.7 　用栈指定各ARM异常模式——cpu_init()　　137

12.8 　初始化以处理异常——early_trap_init()　　138

12.9 　查看中断处理器函数　　143

12.9.1 　调用IRQ处理器——asm_do_IRQ()　　147

12.9.2 　返回中断之前——ret_to_user标签　　147

第13章　设置处理器—— setup_processor()　　150

13.1 　查看setup_processor()结构　　150

13.2 　查找CPU ID——read_cpuid_id()　　151

13.3 　查找处理器信息——lookup_processor_type()　　153

13.4 　查找处理器结构信息——cpu_architecture()　　153

13.5 　查找处理器缓存类型_cacheid_init()　　156

13.6 　调用处理器初始化函数——cpu_proc_init()　　160

第14章　准备内存分页—— paging_init()　　163

14.1 　查看paging_init()的整体结构　　163

14.2 　设置内存类型表——build_mem_type_table()　　165

14.3 　检验内存信息——sanity_check_meminfo()　　166

14.4 　准备页表——prepare_page_table()　　168

14.4.1 　prepare_page_table()　　168

14.4.2 　Linux的分页结构　　170

14.4.3 　求出页目录项　　170

14.4.4 　pmd_clear()　　172

14.5 　设备区域映射准备——devicemaps_init()　　174

14.6 　准备使用高端内存——kmap_init()　　177

14.7 　初始化零页　　178

14.7.1 　分配内存——__alloc_bootmem_nopanic()　　179

14.7.2 　在指定节点使用fallback分配内存——alloc_bootmem_core　　180

14.7.3 　将虚拟地址变换为page结构体——virt_to_page　　182

14.8 　保持数据缓存一致性——flush_dcache_page()　　182

第15章　在启动时初始化内存分配器　　184

15.1 　bootmem函数流和数据结构　　185

15.2 　查看bootmem_init()结构　　188

15.3 　查找虚拟内存盘位置——check_initrd()　　189

15.4 　将节点的BANK信息反映到页目录——bootmem_init_node()　　191

15.4.1 　map_memory_bank()　　192

15.4.2 　bootmem_bootmap_pages()　　195

15.4.3 　find_bootmap_pfn()　　196

15.4.4 　node_set_online()　　197

15.4.5 　NODE_DATA宏　　198

15.4.6 　init_bootmem_node()　　200

15.4.7 　free_bootmem_node()　　202

15.4.8 　reserve_bootmem_node()　　202

15.5 　排除0号节点——reserve_node_zero()　　203

15.6 　排除虚拟内存盘节点——bootmem_reserve_initrd()　　204

15.7 　设置为无可用页——bootmem_free_node()　　205

15.8 　初始化free_area区域　　207

15.8.1 　free_area结构体　　207

15.8.2 　free_area_init_node()　　208

15.8.3 　free_area_init_core()　　209

15.8.4 　init_currently_empty_zone()　　211

15.8.5 　memmap_init()　　212

第16章　mm_init_owner()~preempt_disable()　　217

16.1 　设置内存拥有者——mm_init_owner()　　217

16.2 　保存命令行——setup_command_line()　　218

16.3 　初始化per-cpu数据——setup_per_cpu_areas()　　219

16.4 　求CPU个数——setup_nr_cpu_ids()　　221

16.5 　注册SMP上的启动进程——smp_prepare_boot_cpu()　　222

16.6 　初始化数据结构以使用调度程序——sched_init()　　224

16.6.1 　为集合调度中使用的task_group的sched_entity结构体和runqueue结构体分配内存　　224

16.6.2 　初始化root_domain、rt_bandwidth、task_group相关数据结构　　227

16.6.3 　初始化系统上所有可用CPU的就绪队列　　229

16.6.4 　初始化当前任务的调度相关值与注册针对负载均衡的中断处理器　　230

16.7 　允许内核抢占和阻止抢占——preempt_enable()/preempt_disable()　　231

第17章　构建借用内存的后台　　233

17.1 　在build_all_zonelists()中操作的一些数据结构　　233

17.2 　查看build_all_zonelists()结构　　235

17.3 　决定zone的列表方式——set_zonelist_order()　　236

17.4 　构建备用列表和备用位图——__build_all_zonelists()　　238

17.4.1 　build_zonelists()　　239

17.4.2 　build_zonelist_in_node_order()　　241

17.4.3 　build_zonelists_in_zone_order()　　243

17.4.4 　build_thisnode_zonelists()　　244

17.4.5 　build_zonelists_cache()　　244

17.5 　输出备用列表信息——mminit_verify_zonelist()　　246

17.6 　指定处理页分配请求的节点——cpuset_init_current_mems_allowed()　　246

17.7 　求空页数——nr_free_pagecache_pages()　　247

17.8 　页移动性　　250

第18章　page_alloc_init()~pidhash_init()　　253

18.1 　处理用于热插拔CPU的页——page_alloc_init()　　253

18.2 　处理console参数——parse_early_param()　　255

18.3 　处理特殊参数——parse_args()　　257

18.4 　确认中断处理是否激活——irqs_disable()　　260

18.5 　内核异常列表定义——sort_main_extable()　　261

18.6 　初始化RCU机制——rcu_init()　　263

18.7 　准备使用IRQ——early_irq_init()　　266

18.8 　初始化中断——init_IRQ()　　269

18.9 　构建迅速搜寻进程信息的结构——pidhash_init()　　271

第19章　init_timers()~page_cgroup _init()　　273

19.1 　初始化计时器——init_timers()　　274

19.1.1 　timers_cpu_notify()　　275

19.1.2 　register_cpu_notifier()　　275

19.1.3 　open_softirq()　　276

19.2 　初始化高分辨率计时器——hrtimers_init()　　277

19.3 　注册softirq的回调函数——softirq_init()　　280

19.4 　设置xtime——timekeeping_init()　　282

19.5 　初始化硬件计时器——time_init()　　285

19.6 　初始化时钟时间——sched_clock_init()　　286

19.7 　激活CPU的中断处理——local_irq_enable()　　288

19.8 　检测用作根文件系统的init虚拟内存盘　　288

19.9 　初始化以分配动态内存——vmalloc_init()　　289

19.10 　预先初始化目录项和索引节点缓存——vfs_caches_init_early()　　290

19.11 　初始化cpuset子系统——cpuset_init_early()　　293

19.12 　初始化内存子系统——page_cgroup_init()　　294

第20章　终止bootmem分配器并替换为伙伴系统　　297

20.1 　mem_init()函数的调用关系及其与数据结构的相互关系　　297

20.2 　查看mem_init()结构　　298

20.3 　记录到不存在的内存位图——free_unused_memmap_node()　　300

20.4 　移交至普通空白页伙伴系统——free_all_bootmem_node()　　301

20.4.1 　register_page_bootmem_info_node()　　301

20.4.2 　free_all_bootmem_core()　　303

20.4.3 　__free_pages_bootmem()　　305

20.4.4 　__free_pages()　　308

20.4.5 　free_hot_cold_page()　　308

20.4.6 　__free_pages_ok()　　309

20.5 　移交到高端内存空白页伙伴系统——free_area()　　314

第21章　初始化以支持CPU热插拔　　315

21.1 　初始化cpu_hotplug成员变量——cpu_hotplug_init()　　315

21.2 　CPU的联机→脱机转换处理　　316

第22章　激活slab内存分配器——kmem_cache_init()　　318

22.1 　slab分配器的概念及结构体　　318

22.2 　slab分配器的重要结构体——kmem_cache和kmem_list3　　319

22.3 　查看kmem_cache_init()结构　　322

22.4 　初始化initkmem_list3[]、cache_cache、nodelist[]　　326

22.5 　连接kmem_list3数组并决定cache压缩时间——set_up_list3s()　　328

22.6 　求出用于cache扩展/压缩的页顺序——cache_estimate()　　329

22.7 　malloc_sizes和cache_names　　332

22.8 　生成cache——kmem_cache_create()　　334

22.8.1 　kmem_cache_zalloc()　　336

22.8.2 　calculate_slab_order()　　337

22.8.3 　setup_cpu_cache()　　337

22.8.4 　enable_cpucache()　　339

22.9 　生成arraycache_init,kmem_list3 cache　　340

22.10 　用kmalloc()函数分配的内存替代静态分配的内存　　342

第23章　kmem_trace_init()~security_init()　　344

23.1 　生成ID alloccator缓存——idr_init_cache()　　345

23.2 　初始化pageset——setup_per_cpu_pageset()　　345

23.3 　指定交叉节点——numa_policy_init()　　350

23.4 　结束计时器初始化——late_time_init()　　353

23.5 　测定BogoMIPS——calibrate_delay()　　353

23.6 　制作位图以分配进程识别符（ID）——pidmap_init()　　354

23.7 　初始化优先树的数据结构——prio_tree_init()　　356

23.8 　生成anon_vma slab缓存——anon_vma_init()　　356

23.9 　为对象的每个用户赋予资格——cred_init()　　357

23.10 　初始化数据结构以使用fork()函数——fork_init()　　358

23.11 　初始化生成进程的缓存——proc_caches_init()　　359

23.12 　初始化缓冲缓存——buffer_init()　　361

23.13 　准备密钥——key_init()　　364

第24章　初始化VFS中使用的多种缓存——vfs_cache_init()　　367

第25章　radix_tree_init()~ftrace_init()　　382

25.1 　基数树相关数据结构初始化——radix_tree_init()　　383

25.2 　准备使用信号——signals_init()　　383

25.3 　注册并挂载proc文件系统——proc_root_init()　　384

25.4 　注册未能初始化的子系统——cgroup_init()　　385

25.5 　重置top_cpuset并注册cpuset文件系统——cpuset_init()　　386

25.6 　初始化任务统计信息接口——delayacct_init()　　387

25.7 　为管理延迟信息做准备——delayacct_init()　　388

25.7.1 　延迟审计　　388

25.7.2 　delayacct_init　　389

25.7.3 　task_delay_info结构体和delayacct_tsk_init()　　390

25.8 　检查写缓冲一致性——check_bugs()　　392

第26章　同步内存与后备存储——page write back　　394

26.1 　页回写机制　　394

26.2 　激活页回写——pdflush_init()　　395

26.3 　pdflush线程　　397

26.4 　指定页回写函数　　398

26.5 　周期性页回写和强制性页回写回调函数调用方法　　399

26.5.1 　周期性页回写函数——wb_kupdate()　　399

26.5.2 　强制性页回写函数——background_writeout()　　401

26.6 　初始化周期性页回写　　403

第27章　查看启动内核的最终函数结构——rest_init()　　405

第28章　生成执行函数的内核线程——kernel_thread()　　407

28.1 　查看kernel_thread()结构　　407

28.2 　生成处理器的网关——do_fork()　　408

28.3 　复制父进程——copy_process()　　411

第29章　唤醒新生成的任务　　419

29.1 　查看wake_up_new_task结构　　419

29.2 　获取任务的就绪队列——task_rq_lock()　　421

29.3 　改善任务的优先顺序——effective_prio()　　422

第30章　准备使用内核　　426

30.1 　将当前进程转移到其他CPU——sched_init_smp()　　427

30.2 　结束系统整体初始化——do_basic_setup()　　429

30.2.1 　生成执行rcu_sched_grace_period()的线程——rcu_init_sched()　　430

30.2.2 　生成events工作队列——init_workqueues　　430

30.2.3 　初始化cpuset子系统的top_cpuset——cpuset_init_smp()　　437

30.2.4 　生成khelper工作队列——usermodehelper_init()　　437

30.2.5 　初始化Linux的设备模型——driver_init()　　439

30.2.6 　在proc文件系统注册irq信息——init_irq_proc()　　446

30.2.7 　调用内核未知子系统——do_initcalls()　　448

30.3 　为初始化之后的操作做准备——init_post()　　451

第31章　内核线程守护进程　　453

31.1 　内核线程守护进程——kthreadd()　　453

31.2 　忽略信号——ignore_signals()　　456

31.3 　设置nice值——set_user_nice()　　458

31.4 　搜索执行任务的CPU——set_cpus_allowed_prt()　　463

31.5 　搜索包含列表的实际结构体位置——list_entry()　　464

31.6 　生成内核线程——create_kthread()　　466

第32章　find_task_by_pid_ns()~cpu_idle()　　469

32.1 　用PID搜索任务——find_task_by_pid_ns()　　470

32.2 　解除BKL——unlock_kernel()　　472

32.3 　将调度类变更为idle——init_idle_bootup_task()　　473

32.4 　RCU机制激活完成通知——rcu_scheduler_starting()　　473

32.5 　激活内核抢占——preempt_enable_no_resched()　　473

32.6 　执行进程调度表——schedule()　　474

32.7 　Linux启动万里长征的终点——cpu_idle()　　476

附 　 　录

附录A 　汇编语言、gas关键词总结　　480

附录B 　内核分析常见API　　485

附录C 　浅谈ext2文件系统　　487

附录D 　Linux线程模型　　497

附录E 　链接器脚本文件结构　　500

后记　　510

索引　　513

作者简介

内核源代码构建系统

ARM处理器结构

构建高效分析环境

汇编级启动过程

内核分析常用API、ARM指令、GAS关键词

发生中断到调用处理器的详细过程

本书是多位作者在3年Liunx内核分析经验和庞大资料基础上写成的，收录了其他同类书未曾讲解的内容并进行逐行分析，一扫当前市场中其他理论书带给读者的郁闷。书中详细的代码分析与大量插图能够使读者对Linux内核及ARM获得正确认识，自然而然习得如何有效分析定期发布的Linux内核。

本书适合想从Linux内核启动开始透彻分析全部启动过程的读者，因Linux代码量庞大而束手无策的人、想要了解Linux实际运行过程的人、渴求OS实操理论的人，本书必将成为他们不可或缺的参考书。

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