UNIX核心（5）：核心開發的特點

原文轉自：http://blog.chinaunix.net/uid-7471615-id-83765.html

核心開發不是洪水猛獸。一旦你了解到其中的規則，你就會發現，跟開發應用程式一樣；兩者差別在于要遵守的規則集合不一樣。

Linux是UNIX家族的一員，而且其核心源代碼唾手可得，是以這裡用其來作說明。

規則上，與應用程式（運作于使用者空間）的開發不同，主要表現在：

沒有C庫

用GNU C程式設計（對于Linux核心而言）

沒有記憶體保護

在核心中很難使用浮點數

核心棧大小固定且很小

由于異步中斷、搶占以及支援SMP，需要額外小心同步和并發

移植性問題

下面就來逐個解釋。

核心沒有連結任何C庫。這裡面涉及到很多問題，比如雞生蛋還是蛋生雞的問題：因為C庫都會包裹一些系統調用，可是沒有核心時就沒有系統調用，那麼……呵呵，明白了吧？另一個問題就是大小問題。任何一個C庫，甚至其一個子集，對于核心來說都太大了。不過，不要着急，很多常用的庫函數在核心中都有實作。

這裡面涉及到一個著名的函數：printf()，核心提供了一個替代品：printk()。如果你要做核心開發，就會頻繁使用該函數。記住：Linus本人不允許在核心中嵌入調試器（這是另外的話題，有興趣的可以自己去google一下），是以很多情況下要依靠printk()。

毫無疑問，Linux的核心是用C語言寫的。但所用的C并不是ANSI C，而是經過GNU擴充之後的C，這就是為什麼Linux核心對于gcc編譯器的依賴程度如此之高。GNU對C的擴充中就包括：内聯函數（inline functions），分支預測和内聯彙編（inline assembly）。分支預測用于判斷哪些情況是幾乎永遠不可能發生的，或者哪些情況幾乎永遠都會發生——unlikely()和likely()。

當使用者空間的代碼通路非法位址時，核心能夠捕獲該錯誤，然後向程序發送SIGSEGV并終止程序。在UNIX世界，人們總是說kill/殺掉程序，其實，kill僅僅是用來向程序發送信号的，并不是殺掉它——太殘忍了。這是題外話了，呵呵。那麼，當核心代碼通路非法位址時，誰來照顧核心呢？隻能自己照顧自己了。非法的位址通路将導緻oops，這是重大的問題，沒人會告訴你通路了非法位址，但是你可以通過日志來查詢/調試。

另外，核心記憶體是不分頁，是以你沒申請一個位元組，實體記憶體就少掉一個位元組。小心了！

在核心中使用浮點數非常困難，如果你想給自己找麻煩的話，可以試試。使用者空間代碼要使用浮點數指令時，一般來說會産生一個中斷，核心捕獲該中斷并作相應的處理。然而，核心沒法捕獲自己。而且，要使用浮點指令，不但要儲存浮點寄存器，還要做很多繁瑣的事情——光看看核心如何為使用者空間代碼使用浮點數就知道了，可以參考程序排程裡的上下文切換。

使用者空間的程式可以在棧上申請大量的空間——定義足夠多的局部變量，因為使用者空間的棧非常大，而且可以動态增長。不過有些不夠智能的系統做不到動态增長。然而，核心的棧非常小，而且無法動态增長。

作為一個搶占式多任務、支援對稱多處理（SMP）的系統，同步和并發是任何一個核心hacker都需要時時刻刻小心的問題。排程器“興之所至”，排程程序，這就需要同步；加上來自CPU外的各種中斷導緻核心需要對某些代碼或資料加以保護。而搶占的意思就是，無論誰占用了CPU，都有可能被其他程序搶掉，核心也不例外。Linux對于競态條件提供了spinlock（自旋鎖）和semaphore（信号量）。

最後就是移植性問題。這個問題從來都不見簡單，而且linux的目标是多種平台都能運作，是以移植性顯得更為重要。位元組序問題就是一個典型的移植性問題。然而，應用程式可能僅僅為一個平台開發。

看了這些，是不是覺得，其實核心開發也不難呢？

有雄心的hacker們，不要被OS kernel這個名詞吓倒。看看Linux Kernel Development，準備好Linux核心源碼，沏上一杯茶，然後你就可以開發核心了！

參考：

Linux Kernel Development, 2nd edition, by Robert Love

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