初探Linux kernel之喝凉水系列二

初探Linux kernel之喝凉水系列二
2011年03月03日
　　今天来介绍一下内核开发和应用程序开发的差别：
　　l         内核编程时不能访问C库(因为Linux下很多C库函数是对Linux系统调用的封装，自身怎么可以调用自身呢？)
　　l         内核编程时必须使用GNU C。
　　l         内核编程时缺乏像用户空间那样的内存保护机制。
　　l         内核编程时浮点数很难使用。
　　l         内核只有一个很小的定长堆栈。
　　l         由于内核支持异步中断、抢占和SMP，因此必须时刻注意同步和并发。
　　l         要考虑可移植性的重要性。
　　下面对这几点进行描述。
　　1、首先就是内核不能访问C库的问题，你想啊Linux下很多C库函数是对Linux系统调用的封装，自身怎么可以调用自身呢？这里的系统调用学过OS的应该都清楚，是系统应用给用户提供的编程接口，注意这里的对象是用户。注意啦，程序员也是分等级的，在kernel级别的编程(这里指纯kernel编程)，你已经看不到系统调用，此时你的职责可能就是为系统添加一个系统调用(后边会讲到)，且C库是应用层对底层系调(系统调用，为了便于我打字，后边可能会多次出现)的封装，从逻辑的角度你也该明白了吧。那么问题就出来了，没有c库怎么办，还谈什么模块化，难不成都自己写？这就是接下来的问题。
　　2、既然kernel不能调用C库，那么它就得拥有自己独立的c语言库，这样才能高内聚低耦合，并且提升其安全性，所以就用了GNU C 。短小精悍效率高，毕竟是专才专用。这里需要注意一点，内核中没有实现printf(); 但是有功能更为强大的printk();其实也谈不上功能强大(因为printf() 本身就很强大，尤其是在调试时，这里也显出了printk的优势)，它和printf() 的显著区别就是printk() 允许通过指定一个标志来设置优先级。Syslog会根据这个优先级标志来决定什么地方显示这条系统消息。如：
　　printk( KERN_ERR  “This is an error!”); // 不理解吧，我也不理解，后边内核调试时肯定还会将这东西，不怕。
　　3、内核编程时缺乏像用户空间那样的内存保护机制。你在做什么？内核好不好，这是一个OS的核心部分，控制着整个系统的运转，自然要有处理协调整个系统的权利，在内核coding的东西就是OS核心的一部分，是给别人或者自己在OS的上一层用的。既然你是把握这一切的，且又是在硬件基础上的第一层抽象，另外还把握着全局，内存的控制自然也不能束缚你，就像在公司工作一样，领导要在可能的范围内尽可能的下放权力，下属才能发挥他的极致，估计kernel也是这样，内存访问，包括其他的内核结构都不对出于内核的你进行束缚，当然也没有进行相应的保护机制。因为这是的内核是你的，你没必要傻逼到写程序让自己的系统崩溃吧，哈哈。这也留了一个问题，就是在coding过程中要斟酌好啊。
　　4、内核编程时浮点数很难使用。这里你需要知道的是在用户空间的进程进行浮点操作时，kernel会完成从整数到浮点数的模式转换，一般是通过捕获陷阱并作相应的处理的实现的。(陷阱可以算是一种特殊的异常，是从用户态进入内核态的途径，后边会进一步介绍。)
　　与用户空间不同的是，kernel并不能完美的支持浮点操作，因为自身不能陷入自身。在kernel中使用浮点数时，除了要人工保存和恢复浮点寄存器，还有很多琐碎的事要做。直截了的说就是：不要在kernel中使用浮点数！！！
　　5、内核只有一个很小的定长堆栈。在x86上，kernel的栈是在编译时配置的，可为4k或者8k，且每个处理器都有自己的栈。为什么这么小呢？大了不可以么？我的理解是，现在都在追求微内核，这是一方面原因，还有就是内核也是一个软件，只不过是包含了硬件抽象且富含大量系统管理功能的进程，而其他功能的进程(系统调用，其他内核进程)，在调度是，存在内核抢占和代替内核执行的情况，这是要将要执行的进程的上下文切换过来，当然这些数据都会出现在栈里边，你想如果栈很大，那么操作时内存访问地址会很长，访问时占内存且费时间，会降低效率，所以要尽可能的小且灵活……
　　6、由于内核支持异步中断、抢占和SMP，因此必须时刻注意同步和并发。这不仅仅是linux kernel ，是所有现有的多进程/多线程并发OS都要注意的，包括多线程编程也一样，你就把kernel 想成是一个多线程的执行程序就OK了，不难理解。
　　7、要考虑可移植性的重要性。这个更不用多说了，因为这是linux的一个灰常显著的特征，大到企业的服务器，小到嵌入式的android ，IP camera ……等很多东西不同平台构架的cpu …… 应该是目前跑的平台最多的OS了，所以他的内核要有足够的可移植性，似乎有点java的感觉，哈哈，毕竟我是学java出身的啊……
　　OK，未完待续……
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