淺析Linux kernel的閱讀方法

l 帶著課題

分析任何代碼都要都要帶著課題，如果只是走馬觀花很難有具體的收獲。“課題”可大、可小，大課題有大收獲閱讀分析時間也比較長。比如“搞清楚Linux是如何收發(fā)數(shù)據(jù)的”，“Linux是如何分配內(nèi)存的”，這些都是比較大的題目；再比如“IP數(shù)據(jù)包如何被重組的”這就是比較具體的問題，屬于“小課題”。

“大課題”一般是由多個彼此關(guān)聯(lián)的“小課題”組成的，所以最終我們還是會去在內(nèi)核中挨個尋找某個具體問題的具體答案，然后再回頭來看整個問題。“小課題”是指某個具體問題，我們通常需要先找到一個切入點，然后順藤摸瓜理出一個頭緒來。

源代碼的分析工具比較簡單，一個編輯器（語法加亮）一個快捷的查找工具（比如grep）就可以開始干活了。通過查找工具找到切入點，然后分析代碼的邏輯。如果代碼量比較大，一般我們會選擇一個IDE工具或者專門的代碼閱讀工具（Source Insight、Understand）來分析、閱讀代碼。

l 觀察數(shù)據(jù)流向

成熟的代碼通常都很復(fù)雜，考慮的事情也比較全面，所以一個函數(shù)可能有幾十行代碼。閱讀代碼的時候我們要把握數(shù)據(jù)流向，比如我們知道函數(shù)的返回值是我們關(guān)注的數(shù)據(jù)，那么我們觀察它在哪里執(zhí)行了賦值語句，這樣就可以理出個主脈絡(luò)來。

l 分析總結(jié)

我喜歡用兩幅圖來表示分析代碼之后的收獲，函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖。調(diào)用關(guān)系可以從宏觀上告訴我們整個過程分成哪些步驟，步驟里面分為哪些子步驟；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)輔助說明了這些過程涉及到的數(shù)據(jù)操作。

l分析實戰(zhàn)

代碼分析

“萬物皆文件（everything is a file）”，Unix/Linux的一條著名的設(shè)計哲學(xué)。在Unix/Linux中很多硬件設(shè)備、進程運行信息、系統(tǒng)狀態(tài)都被映射成文件系統(tǒng)中的某個文件，這種設(shè)計極大的簡化了系統(tǒng)模型。

在Linux中每個文件都由“struct file”和“一個int類型的變量——file descriptor（文件描述符）”組成。下面通過分析Kernel代碼來剖析file descriptor的分配過程。

我們是要探究file descriptor的分配過程，問題非常明確，切入點也比較好找——什么時候執(zhí)行fd的分配？答案是執(zhí)行`open`函數(shù)的時候。所以我們通過查找工具定位到`open`系統(tǒng)調(diào)用的代碼(fs/open.c)

Linux的代碼非常清晰，open函數(shù)實際上調(diào)用的是do_sys_open。“打開文件”的過程分為：

1．分配文件描述符（fd）；

2．分配struct file；

3．綁定fd和structfile。

Linux中資源分配的對象是進程，用struct task表示進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?！拔募浔保▋?nèi)核中指向某個打開文件的指針數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是struct file）屬于資源申請，所以按道理說Linux的struct task中應(yīng)該定義一個struct file類型的數(shù)組，文件描述符則表示struct file數(shù)組中的索引。

實際上Linux2.1之前就是這么干的，但是這種實現(xiàn)方式有一個很明顯的缺陷——files的大小是受限的，2.1之前它是一個固定的值——256。如果要突破限制那就不能使用“固定大小數(shù)組”的數(shù)字定義files，所以在后續(xù)的版本中就把“文件句柄”拆分成立兩種內(nèi)核資源——文件描述符（fd）、文件對象（struct file）。（后面會放上我們分析后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖——也是Linux正在用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）

回到我們的代碼，分配文件描述符的代碼是get_unused_fd_flags，我們跟蹤下去發(fā)現(xiàn)它其實是__alloc_fd函數(shù)的封裝，直接看__alloc_fd。

直接讀這么一大段代碼很難理清楚頭緒，這里有個技巧推薦給大家。直接看它的返回值，它的返回值就是文件描述符，所以我們只要注意在哪里給它賦值就能理出關(guān)鍵頭緒。

__alloc_fd函數(shù)的start，end參數(shù)是指文件描述符的**可用**范圍，get_unused_fd_flags在傳遞start參數(shù)的時候是0，所以不設(shè)置下標(biāo)范圍。Linux用一個位圖記錄fd的分配狀態(tài)，需要注意的是next_fd并不能直接作為fd返回，它僅僅是標(biāo)識“未使用的fd中最小值”，這是為了防止位圖中“空隙”（位圖中1、2、4、5、6都是空閑的，3已經(jīng)被使用了，我們搜索未使用fd的時候很顯然應(yīng)該從1開始搜索。所以一定要保存這個“下標(biāo)”）。

fdtable是內(nèi)核中用來表示文件描述符表格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表示fd分配狀態(tài)的位圖就是它的成員變量（full_fds_bits），max_fds記錄的是當(dāng)前表格可用的最大文件描述符，這個值是可以通過expand_files增加的（如果你打開`expand_files`會發(fā)現(xiàn)fd最大值是不能超過`sysctl_nr_open`的，這個就是fs.nr_open的值）。

上面的代碼只是尋找可用fd而沒有修改位圖，所以代碼最后通過__set_open_fd來修改位圖。

l總結(jié)經(jīng)驗

“一圖勝千言”，代碼分析是一件非常難“表達(dá)出來”的事情，如果是像上面的文字估計沒有多少人會有興趣看。所以我一般分析完代碼后畫兩張圖，一張表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系的圖，一張表示函數(shù)調(diào)用關(guān)系的圖。

do_sys_open所做的都是為了最后執(zhí)行fd_install（成功打開文件），而fd_install可以被簡化為一個簡單的賦值語句（圖中的那句賦值語句）。所以前面的get_unused_fd_flags其實是為了返回合適的fd、do_filp_open則是為struct file分配一塊內(nèi)存空間。

結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖來看

get_unused_fd_flags的主要操作對象其實就是struct files_struct。

審核編輯：劉清