Разработка ядра Linux

Исходный программный код последней версии ядра всегда доступен как в виде полного архива в формате tar (tarball), так и виде инкрементной заплаты по адресу

http://www.kernel.org

Если нет необходимости по той или другой причине работать со старыми версиями ядра, то всегда нужно использовать самую последнюю версию. Архив

kernel.org

Инсталляция исходного кода ядра

Архив исходного кода ядра в формате tar распространяется в сжатых форматах GNU zip (gzip) и bzip2. Формат bzip2 наиболее предпочтителен, так как обеспечивает больший коэффициент сжатия по сравнению с форматом gzip. Архив ядра в формате bzip2 имеет имя

linux-x.y.z.tar.bz2

x

y

z

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

Если сжатие выполнено с помощью bzip2, то команда должна иметь следующий вид.

$ tar xvjf linux-x.y.z.tar.bz2

Обе эти команды позволяют декомпрессировать и развернуть дерево исходных кодов ядра в каталог с именем

linux-x.y.z

/usr/src/linux

/usr/src/linux

Использование заплат

В сообществе разработчиков ядра Linux заплаты (patch) — это основной язык общения. Вы будете распространять ваши изменения исходного кода ядра в виде заплат и получать изменения кода от других разработчиков тоже в виде заплат. При данном рассмотрении наиболее важными являются инкрементные заплаты (incremental patch), которые позволяют перейти от одной версии ядра к другой. Вместо того чтобы загружать большой архив ядра, можно просто применить инкрементную заплату и перейти от имеющейся версии к следующей. Это позволяет сэкономить время и пропускную способность каналов связи. Для того чтобы применить инкрементную заплату, находясь в каталоге дерева исходных кодов ядра, нужно просто выполнить следующую команду.

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

Обычно заплата для перехода на некоторую версию ядра должна применяться к предыдущей версии ядра.

В следующих главах использование заплат рассматривается более подробно.

Сборка ядра достаточно проста. Это может показаться удивительным, но она даже более проста, чем компиляция и инсталляция других системных компонентов, как, например библиотеки

glibc

Так как доступен исходный код ядра Linux, то, это означает, что есть возможность сконфигурировать ядро перед компиляцией. Есть возможность скомпилировать поддержку только необходимых драйверов и функций. Конфигурация ядра— необходимый этап перед тем, как его компилировать. Поскольку в ядре бесчисленное количество функций и вариантов поддерживаемого аппаратного обеспечения, возможностей по конфигурации, мягко говоря, много. Конфигурация управляется с помощью опций конфигурации в виде

CONFIG_FEATURE

CONFIG_SMP

.config

make xconfig

Конфигурационные переменные бывают двух видов: логические (boolean) и переменные с тремя состояниями (tristate). Логические переменные могут принимать значения

yes

no

CONFIG_PREEMPT

yes

no

module

module

Конфигурационные параметры могут иметь целочисленный, или строковый, тип. Эти параметры не контролируют процесс сборки, а позволяют указать значения, которые встраиваются в исходный код ядра с помощью препроцессора. Например, с помощью конфигурационного параметра можно указать размер статически выделенного массива.

Ядра, которые включаются в поставки ОС Linux такими производителями, как Novell и Redhat, компилируются как часть дистрибутива. В таких ядрах обычно имеется большой набор различных функций и практически полный набор всех драйверов устройств в виде загружаемых модулей. Это позволяет получить хорошее базовое ядро и поддержку широкого диапазона оборудования. К сожалению, как разработчикам ядра, вам потребуется компилировать свои ядра и самим разбираться, какие модули включать, а какие нет.

В ядре поддерживается несколько инструментов, которые позволяют выполнять конфигурацию. Наиболее простой инструмент — это текстовая утилита командной строки:

make config

Эта утилита просматривает все параметры один за другим и интерактивно запрашивает у пользователя, какое значение соответствующего параметра установить —

yes

no

module

make menuconfig

или графическую утилиту на основе системы X11:

make xconfig

или еще более удобную графическую утилиту, основанную на библиотеке gtk+:

make gconfig

Эти утилиты позволяют разделить все параметры по категориям, таким как Processor Features (Свойства процессора) и Network Devices (Сетевые устройства). Пользователи могут перемещаться по категориям и, конечно, изменять значения конфигурационных параметров. Команда

$ make defconfig

позволяет создать конфигурационный файл, который будет содержать параметры, используемые по умолчанию для текущей аппаратной платформы. Хотя эти параметры и достаточно общие (ходят слухи, что для аппаратной платформы i386 используется конфигурация Линуса), они являются хорошей стартовой точкой, если вы никогда перед этим не занимались конфигурацией ядра. Чтобы все сделать быстро, необходимо выполнить эту команду, а потом проверить, включена ли поддержка всех нужных аппаратных устройств.

Конфигурационные параметры содержатся в корне дерева каталогов исходного кода ядра в файле с именем

.config

make oldconfig

Кстати, перед сборкой ядра эту команду также необходимо выполнить. После того как конфигурация ядра выполнена, можно выполнить сборку с помощью команды:

make

В отличие от предыдущих серий ядер, в версии 2.6 больше нет необходимости выполнять команду

make dep

Makefile

Уменьшение количества выводимых сообщений

Для того чтобы уменьшить шум, связанный с сообщениями, которые выдаются во время сборки, но в то же время видеть предупреждения и сообщения об ошибках, можно использовать такую хитрость, как перенаправление стандартного вывода команды

make(1)

make > "имя_некоторого_файла"

Если вдруг окажется необходимым просмотреть выводимые сообщения, можно воспользоваться соответствующим файлом. Но обычно, если предупреждения или сообщения об ошибках выводятся на экран, в этом нет необходимости.

На самом деле я выполняю следующую команду

make > /dev/null

что позволяет совсем избавиться от ненужных сообщений.

Параллельная сборка

Программа

make(1)

По умолчанию утилита

make(1)

$ make -jn

где n — количество заданий, которые необходимо запустить.

Обычно запускается один или два процесса на процессор. Например, на двухпроцессорной машине можно использовать следующий запуск.

$ make -j4

Используя такие отличные утилиты, как

distcc(1)

ccache(1)

Инсталляция ядра

После того как ядро собрано, его необходимо инсталлировать. Процесс инсталляции существенно зависит от платформы и типа системного загрузчика. Для того чтобы узнать, в какой каталог должен быть скопирован образ ядра и как установить его для загрузки, необходимо обратиться к руководству по используемому системному загрузчику. На случай если новое ядро будет иметь проблемы с работоспособностью, всегда следует сохранить одну или две копии старых ядер, которые гарантированно работоспособны!

Например, для платформы x86, при использовании системного загрузчика grub можно скопировать загружаемый образ ядра из файла

arch/i386/boot/bzImage

/boot

/etc/grub/grub.conf

/etc/lilo.conf

lilo(8)

Инсталляция модулей ядра автоматизирована и не зависит от аппаратной платформы. Просто нужно запустить следующую команду с правами пользователя root.

$ make modules_install

В процессе компиляции в корневом каталоге дерева исходного кода ядра также создается файл

System.map

Ядро имеет некоторые отличия в сравнении с обычными пользовательскими приложениями, эти отличия хотя и не обязательно приводят к серьезным усложнениям при программировании, но все же создают специфические проблемы при разработке ядра.

Эти отличия делают ядро зверьком другого рода. Некоторые из старых правил при этом остаются в силе, а некоторые правила являются полностью новыми. Хотя часть различий очевидна (все знают, что ядро может делать все, что пожелает), другие различия не так очевидны. Наиболее важные отличия описаны ниже.

• Ядро не имеет доступа к библиотеке функций языка С.

• Ядро программируется с использованием компилятора GNU С.

• В ядре нет такой защиты памяти, как в режиме пользователя.

• В ядре нельзя легко использовать вычисления с плавающей точкой.

• Ядро использует стек небольшого фиксированного размера.

• Поскольку в ядре используются асинхронные прерывания, ядро является преемптивным и в ядре имеется поддержка SMP, то в ядре необходимо учитывать наличие параллелизма и использовать синхронизацию.

• Переносимость очень важна.

Давайте рассмотрим более детально все эти проблемы, так как все разработчики ядра должны постоянно помнить о них.

Отсутствие библиотеки

libc

В отличие от обычных пользовательских приложений, ядро не компонуется со стандартной библиотекой функций языка С (и ни с какой другой библиотекой такого же типа). Для этого есть несколько причин, включая некоторые ситуации с дилеммой о курице и яйце, однако первопричина — скорость выполнения и объем кода. Полная библиотека функций языка С, и даже только самая необходимая ее часть, очень большая и неэффективная для ядра.

При этом не нужно расстраиваться, так как многие из функций библиотеки языка С реализованы в ядре. Например, обычные функции работы со строками описаны в файле

lib/string.с

Отсутствует наиболее известная функция

printf()

printf()

printk()

printk()

syslog

printf()

printk("Hello world! Строка: %s и целое число: %d\n",

 a_string, an_integer);

Одно важное отличие между

printf()

printk()

printk()

syslog

printk(KERN_ERR "Это была ошибка !\n");

Функция

printk()

printk()

Компилятор GNU С

Как и все "уважающие себя" ядра Unix, ядро Linux написано на языке С. Может быть, это покажется неожиданным, но ядро Linux написано не на чистом языке С в стандарте ANSI С. Наоборот, где это возможно, разработчики ядра используют различные расширения языка, которые доступны с помощью средств компиляции gcc (GNU Compiler Collection — коллекция компиляторов GNU, в которой содержится компилятор С, используемый для компиляции ядра).

Разработчики ядра используют как расширения языка С ISO C99[7] так и расширения GNU С. Эти изменения связывают ядро Linux с компилятором gcc, хотя современные компиляторы, такие как Intel С, имеют достаточную поддержку возможностей компилятора gcc для того, чтобы ими тоже можно было компилировать ядро Linux. В ядре не используются какие-либо особенные расширения стандарта C99, и кроме того, поскольку стандарт C99 является официальной редакцией языка С, эти расширения редко приводят к возникновению ошибок в других частях кода. Более интересные и, возможно, менее знакомые отклонения от стандарта языка ANSI С связаны с расширениями GNU С. Давайте рассмотрим некоторые наиболее интересные расширения, которые могут встретиться в программном коде ядра.

Компилятор GNU С поддерживает функции с подстановкой тела (inline functions). Исполняемый код функции с подстановкой тела, как следует из названия, вставляется во все места программы, где указан вызов функции. Это позволяет избежать дополнительных затрат на вызов функции и возврат из функции (сохранение и восстановление регистров) и потенциально позволяет повысить уровень оптимизации, так как компилятор может оптимизировать код вызывающей и вызываемой функций вместе. Обратной стороной такой подстановки (ничто в этой жизни не дается даром) является увеличение объема кода, увеличение используемой памяти и уменьшение эффективности использования процессорного кэша инструкций. Разработчики ядра используют функции с подстановкой тела для небольших функций, критичных ко времени выполнения. Использовать подстановку тела для больших функций, особенно когда они вызываются больше одного раза или не слишком критичны ко времени выполнения, не рекомендуется.

Функции с подстановкой тела объявляются с помощью ключевых слов

static

inline

static inline void dog(unsigned long tail_size);

Декларация функции должна быть описана перед любым ее вызовом, иначе подстановка тела не будет произведена. Стандартный прием — это размещение функций с подстановкой тела в заголовочных файлах. Поскольку функция объявляется как статическая (

static

В ядре использованию функций с подстановкой тела следует отдавать преимущество по сравнению с использованием сложных макросов.

Компилятор gcc С позволяет встраивать инструкции языка ассемблера в обычные функции языка С. Эта возможность, конечно, должна использоваться только в тех частях ядра, которые уникальны для определенной аппаратной платформы.

Для встраивания ассемблерного кода используется директива компилятора

asm()

Ядро Linux написано на смеси языков ассемблера и С. Язык ассемблера используется в низкоуровневых подсистемах и на участках кода, где нужна большая скорость выполнения. Большая часть коду ядра написана на языке программирования С.

Компилятор gnu С имеет встроенные директивы, позволяющие оптимизировать различные ветви условных операторов, которые наиболее или наименее вероятны. Компилятор использует эти директивы для соответственной оптимизации кода. В ядре эти директивы заключаются в макросы

likely()

unlikely()

if

if (foo) {

 /* ... */

}

то для того, чтобы отметить этот путь выполнения как маловероятный, необходимо указать:

/* предполагается, что значение переменной foo равно нулю ...*/

if (unlikely(foo)) {

 /* ... */

}

И наоборот, чтобы отметить этот путь выполнения как наиболее вероятный

/* предполагается, что значение переменной foo не равно нулю ...*/

if (likely(foo)) {

 /* ... * /

}

Эти директивы необходимо использовать только в случае, когда направление ветвления с большой вероятностью известно априори или когда необходима оптимизация какой-либо части кода за счет другой части. Важно помнить, что эти директивы дают увеличение производительности, когда направление ветвления предсказано правильно, однако приводят к потере производительности при неправильном предсказании. Наиболее часто директивы

unlikely()

likely()

Отсутствие защиты памяти

Когда прикладная программа предпринимает незаконную попытку обращения к памяти, ядро может перехватить эту ошибку и аварийно завершить соответствующий процесс. Если ядро предпринимает попытку некорректного обращения к памяти, то результаты могут быть менее контролируемы. Нарушение правил доступа к памяти в режиме ядра приводит к ошибке oops, которая является наиболее часто встречающейся ошибкой ядра. Не стоит говорить, что нельзя обращаться к запрещенным областям памяти, разыменовывать указатели со значением

NULL

Кроме того, память ядра не использует замещение страниц. Поэтому каждый байт памяти, который использован в ядре, — это еще один байт доступной физической памяти. Это необходимо помнить всякий раз, когда добавляются новые

функции ядра

Нельзя просто использовать вычисления с плавающей точкой

Когда пользовательская программа использует вычисления с плавающей точкой, ядро управляет переходом из режима работы с целыми числами в режим работы с плавающей точкой. Операции, которые ядро должно выполнить для использования инструкций работы с плавающей точкой, зависят от аппаратной платформы.

В отличие от режима задачи, в режиме ядра нет такой роскоши, как прямое использование вычислений с плавающей точкой. Активизация режима вычислений с плавающей точкой в режиме ядра требует сохранения и восстановления регистров устройства поддержки вычислений с плавающей точкой вручную, кроме прочих рутинных операций. Если коротко, то можно посоветовать: не нужно этого делать; никаких вычислений с плавающей точкой в режиме ядра.

Маленький стек фиксированного размера

Пользовательские программы могут "отдохнуть" вместе со своими тоннами статически выделяемых переменных в стеке, включая структуры большого размера и многоэлементные массивы. Такое поведение является законным в режиме задачи, так как область стека пользовательских программ может динамически увеличиваться в размере (разработчики, которые писали программы под старые и не очень интеллектуальные операционные системы, как, например, DOS, могут вспомнить то время, когда даже стек пользовательских программ имел фиксированный размер).

Стек, доступный в режиме ядра, не является ни большим, ни динамически изменяемым, он мал по объему и имеет фиксированный размер. Размер стека зависит от аппаратной платформы. Для платформы x86 размер стека может быть сконфигурирован на этапе компиляции и быть равным 4 или 8 Кбайт. Исторически так сложилось, что размер стека ядра равен двум страницам памяти, что соответствует 8 Кбайт для 32-разрядных аппаратных платформ и 16 Кбайт — для 64-разрядных. Этот размер фиксирован. Каждый процесс получает свою область стека.

Более подробное обсуждение использования стека в режиме ядра смотрите в следующих главах.

Синхронизация и параллелизм

Ядро подвержено состояниям конкуренции за ресурсы (race condition). В отличие от однопоточной пользовательской программы, ряд свойств ядра позволяет осуществлять параллельные обращения к ресурсам общего доступа, и поэтому требуется выполнять синхронизацию для предотвращения состояний конкуренции за ресурсы. В частности, возможны следующие ситуации.

• Ядро Linux поддерживает многопроцессорную обработку. Поэтому, без соответствующей защиты, код ядра может выполняться на одном, двух или большем количестве процессоров и при этом одновременно обращаться к одному ресурсу.

• Прерывания возникают асинхронно по отношению к исполняемому коду. Поэтому, без соответствующей защиты, прерывания могут возникнуть во время обращения к ресурсу общего доступа, и обработчик прерывания может тоже обратиться к этому же ресурсу.

• Ядро Linux является преемптивным. Поэтому, без соответствующей защиты, исполняемый код ядра может быть вытеснен в пользу другого кода ядра, который тоже может обращаться к некоторому общему ресурсу.

Стандартное решение для предотвращения состояния конкуренции за ресурсы (состояния гонок) — это использование спин-блокировок и семафоров.

Более полное обсуждение вопросов синхронизации и параллелизма приведено в следующих главах.

Переносимость — это важно

При разработке пользовательских программ переносимость не всегда является целью, однако операционная система Linux является переносимой и должна оставаться такой. Это означает, что платформо-независимый код, написанный на языке С, должен компилироваться без ошибок и правильно выполняться на большом количестве систем.

Несколько правил, такие как не создавать зависимости от порядка следования байтов, обеспечивать возможность использования кода для 64-битовых систем, не привязываться к размеру страницы памяти или машинного слова и другие — имеют большое значение. Эти вопросы более подробно освещаются в одной из следующих глав.