linux宏内核_独上高楼，学习Linux的六种境界

LINUX是全人类的选择。

今天是这样的，

这种情况在未来几十年内也不会改变。

对于软件工程师来说，

不用考虑是否需要学习LINUX。

就想着怎么学好LINUX吧...

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独自登上高楼

LINUX代表着未来。我们今天选择了它，未来几十年它也不会改变。对于今天的程序员来说，我们正在经历这种变化。在桌面领域，它仍然占有比较大的份额，但我相信，正在进行的革命最终会让Linux成为一个越来越普遍的系统平台。

对于各位从事软件开发的朋友来说，我们当然应该走在普通用户的前面，按照技术发展的方向做好技术储备。所以，在我看来，今天你不用考虑要不要学Linux，你只需要考虑怎么学好Linux。

十几年前就有人问我为什么还在分享，从中可以看出十几年前就有人预测Linux会逐渐成为主流，我也认为这个预测是正确的。

受到国学大师王国维的启发，我把 Linux 的学习概括为六种境界。王国维曾在《人间话》中把做人、学习分为三种境界。对于软件设计来说，境界也是一个很重要的概念，甚至可以说是一种方法论。后面我会把我概括的六种境界和王国维总结的三种境界做个对比，我概括的前三种境界其实不算，我会把后三种境界对应到王国维总结的三种境界。

如果你对人生的领悟和学术的研究没有达到一定的境界，就不会有这样的感悟。

“我独登高塔，望天涯路”是王国维眼中的第一个境界。所以我总结的前三个境界其实还是零十版，而不是第一个境界。

介绍的就这么多，现在我们进入第一个境界。

境界一

读

艺术

特点

说到学习，很多人想到的就是“我要买书”。如今，关于Linux的书籍数不胜数。阅读当然是有益的，所以我们将其归为第一层次。买书是好事，但能否从书中有所收获，则取决于阅读的方法和认真程度。

除了书籍，如今网络时代的文章也很多，推荐大家去读一下Linux内核的官方文档，如果把Linux内核的官方文档分成不同的层级，有一些写得非常好的文档，比如：《Linux内核指南》。

这篇文档的标题很谦虚，意思是：我给你写了一份有点不靠谱的攻克Linux内核的指南。这种看似不靠谱的说法越是值得一读。

本文作者是Rusty，我的一位澳大利亚同事，曾经在IBM的Linux技术中心工作过。在我看来，写作是一门需要很多方法的技能，不同的人写同样的内容有不同的方法。Rusty写过很多内核代码，他的文章也展现了一些很独特的观点，这些观点都非常简洁明了。

在这篇并不太长的文档里，他写了很多理解内核的关键点。比如上面这段其实只有几十个字的文字，就写到了阅读内核代码需要了解的一个关键特性，即：返回值的约定。Linux 内核是用 C 语言编写的，简洁，强调简单而不是复杂。因此，Linux 内核代码没有太多杂七杂八的误判和太多冗余（比如：保留很多参数以备将来使用）。

Linux 内核代码尽可能简洁，这也体现在返回值上。Rusty 对返回值提出了两点：

成功时返回零，失败时返回负数。

这也是我很喜欢的一种做法，但是对于一些教条式的编码规范来说，返回值是无符号的，如果要表示错误，需要在参数中单独设置一个指针作为错误代码，很别扭。

如果函数返回的是指针，则不需要单独返回错误代码，只需将错误代码编码到指针中即可。因此，内核中有几个著名的宏：

（）

（）

如果是返回指针的函数，在指针处失败，则返回值也会被编码进去。为了提高可读性，定义了这些宏。

在Rusty的文章里，像这样简短精炼的总结就有十几个，文章也很短，用通俗的话说，真的都是有用的信息。

总结：学习内核的第一步就是阅读内核的文本，书籍，好文章，官方文档。

领域 2

读

一代

代码

第二个层次是阅读代码。Linux内核是开源的，所以大家一定要抓住机会，利用它的开源特性，阅读它的源代码。

如果你还没有下载Linux内核源代码，请立即打开并下载一份源代码。我鼓励大家下载LTS（长期支持版本）。最新的LTS是6.1。在此之前，更常用的LTS是5.10或5.15。如果你目前在产品中使用5.10，则它被认为是相对较新的。上一个版本是4.19。下载LTS后，将其解压到你的电脑上，你可以随时打开它查看。

Linux内核的源代码是无价的，是全世界人类智慧的结晶。它是基于全世界程序员的共同努力才产生这样一套代码。因此，我们可以从这套代码中学到很多东西。

“广度比深度更重要”

——Linux目录树的定义原理

首先Linux内核目录树的定义原则是目录宜多不宜过深。现实中很多软件项目做不好就是因为目录定义得太深，不利于浏览。浏览目录的时候相当于进入、进入、进入、再退出、进入、进入、进入、退出。

所以建议源代码目录的组织方式要宽而不深，同一层级的目录多也没关系，因为一目了然，可以知道这一层级里有什么。尽量避免一层层往下铺，比如最上面只有两个目录，然后就分开了，每一层级都扩展到多个目录。这样的目录树浏览起来非常不方便，无法一下子看到全貌。

阅读源代码

——以 Panic 函数为例

在阅读Linux内核源代码的时候，可以找出一些自己感兴趣的函数去读，比如Panic函数，这个函数很有趣，因为它很形象，我们可以直接打开panic.c，读到Panic函数的逻辑。

它是Linux内核中一个很老的函数，早在0.1版本就有了。但是在0.1版本中Panic是一个死循环，在后续的发展中变得越来越复杂。和函数原型类似，Panic有固定的模板，后面可以跟不确定的参数。内核代码中很多地方都会调用它，调用时根据原型传递各种参数。如果分析Linux崩溃时，看一下Linux发生Panic时的源码，就可以一边研究源码一边了解Panic的原因。

结合工业界发展阅读内核代码

——以Arch子目录为例

内核源代码还可以结合业界发展来阅读，比如Arch目录，代表了CPU厂商的开发实力。

从4.4内核到5.13，再从5.13到6.16，Arch子目录的变化巨大。

关于 Arch 子目录，我在庐山桃花源工作坊讨论的时候，有位博主提了一个非常好的问题：

“为什么ARM 32位和64位分为两个目录，而x86在一个目录中？”

我觉得这个问题问的很好，代表着做同一件事的不同方式，或者说不同的人生态度。

ARM 分成两个品类，体现了它的年轻、无畏和勇于突破自我的精神。它认为老的 32 位系统存在很多问题，所以在发展到 64 位的时候，就创造了一个新的品类，把历史包袱都扔掉了。这就好比一个年轻人，如果不想干这份工作，干脆放弃，学一门新技术，从头再来。

x86 历史上有 IA-64 架构，Intel 希望 64 位就是 IA-64，但是 AMD 不同意，搞出了 AMD64。因为 AMD 的口号是 64 位和 32 位无缝兼容，所以没必要搞两个目录。x86 之所以重，是因为它背负了所有的历史包袱，所有的东西都混杂在一个目录里。

第三境界

读

“

信

”

接下来的第三境界是读“信”。信的英文是 ，还有消息（）和电子邮件（Mail），广义上可以称为信件。我上大学的时候，很流行写信。下课后，大家都盼望着收到信。

为什么读一封信和读一本书的感觉不同？

因为书信篇幅较短，且有特定的场景，所以更有针对性和沉浸感。对于一本厚厚的书，我们往往坚持不下去，不知道作者在说什么，也不知道先读什么，后读什么。但对于一封信，你读的时候通常不会有这种感觉，因为你能够很快进入到信的场景中，立刻明白信中所描述的问题，所以很快就能看懂。所以，学习Linux内核的第三个境界，就是读懂内核写给我们的信。

内核是怎样写字母的？

内核中有一个著名的功能，这是Linux内核开发者Linus最先依赖的调试方法。

我统计了一下 Linux 3.12 内核的行数，有 6 万多行。到今天可能已经突破 10 万行了。也就是说，内核中有 10 万行主干代码。同时这些行中还有大量的变量，因为它们可以包含变量信息，所以在不同的场景下执行到这里都会打印一条消息。把这些消息积累在一起，就像内核的时钟在记录它走过的路。它此刻的心情就像朋友之间写信，我们读信的时候，能感受到对方的经历，以及写信时的心情。

阅读内核打印的这些消息，我们也能感受到：

为什么我们要关注内核消息？

内核消息是一个非常生动的内核数据。如果你在不同的系统上启动，你会发现很多不同。例如在 x86 上，你会看到一些 x86 的特性，而且固件和设备与 ARM 也不同。因此，每当我接触到一个新的 Linux 系统时，我都喜欢用 dmesg 查看内核消息，而且每次都有收获。

当然内核消息不仅仅在启动时显示，当你在进行某些操作的时候，内核也会打印出消息，这时候打印出来的消息也是非常有用的。

第四境界

写

一代

代码

第四境界是写代码。前三境界的第一个动词是“读”，但第四境界不再是“读”，而是“写”。我们不用动手，用眼睛就能读，但要想写代码，就需要动手，把代码打进去，编译执行，还要经历这样一个过程。

这里我想引用我非常敬佩的丹尼斯·里奇的一句话，他是C语言的发明者，也是UNIX操作系统最重要的两位先驱之一，他说：“学习一门编程语言的唯一方法就是用它编写程序。”

我很相信这句话，要学好编程，就得写代码，同样，要学好内核，也得写代码，所以我会用 的话来描述学习内核：“学习内核的捷径就是写代码，然后在内核里跑起来。”

内核中代码该如何写？

一种方法是修改内核编译，但是这种方法需要较多的技巧和时间。

还有一种方式就是写驱动程序，因为驱动程序也是运行在内核空间的。由于驱动程序是模块化的，我们可以先写一个小的驱动程序运行在内核空间，这样可以体会内核编程的不同，探索如何与内核交互，如何编写内核代码，体会做内核的不易——内核虽然很强大，但是也有不少的难处。

在环境中，如果想在内核空间运行自己的代码，已经有一些限制了，如果想在内核空间运行代码，就必须对代码进行签名。从Vista开始微软就要求内核空间的代码必须签名，这样就不是很方便了。如果要做测试签名，还需要重新开启禁止签名强制执行的功能。所以，我今天逐渐转向Linux。因为环境越来越不适合开发者了，规矩太多，太守规矩的系统缺乏生机和活力，所以，我鼓励大家像我一样转向Linux。在Linux环境中，你可以轻松地加载驱动程序而不需要签名。当然，如果要搭建一个构建驱动程序的环境，就有点困难了，需要做一些准备工作，比如：安装内核头文件。

这里我们具体以幽蓝为例，幽蓝是格物科技推出的一款专门为程序员打造的笔记本，拿到手就能构建内核驱动，各位拥有幽蓝的格物朋友可以马上试用，测试成功后再进行一些修改，修改完之后再编译加载，不断重复这个过程，对内核就会越来越熟悉。

演示：使用 构建内核驱动程序

说到这里，我们再来回顾一下王国维总结的三种境界，他总结的第一种境界是“昨夜西风凋绿树，独上高楼望天涯路。”

很多接触Linux的人根本没有这种感受。在我看来，只有自己写过一些内核代码之后才会有这种感受，体会到内核的难度，内核代码的独特性，知道内核代码面临的真正挑战——代码量巨大，各方面负担巨大，所以做好是非常困难的。

5 级

里面

核

调

尝试

第五层级是用调试器调试内核。当你真正写完内核代码之后，你会越来越了解内核，会发现还有很多东西需要学习，这就好比“独攀高楼，望天涯路”，处处辽阔，你想去探索，但时间有限，所以要提高效率。

如何提高效率？

调试器是提高效率的好方法。

回顾我这么多年在技术上的探索，其实对我帮助最大的就是调试器了。所以每次学习一个新技术，我们都会尝试使用调试器。这几年我转向ARM+Linux，开发了好几个调试器，比如硬件调试器Swing Code Gun，软件调试器Nano Code。出差的时候，我经常会带着这些东西。

上面这张图是我出差的时候拍的，码枪有两把，一把是GDK3（用来调试ARM的M核），一把是GDK8（用来调试ARM的A核，里面也包含Linux）。

这个截图是在WiFi发包函数里设置的断点，断点命中之后可以看到这是来自用户空间的调用，一步步往上层，进入网络协议栈，再进入电路层到设备驱动，设备驱动最后送到物理层进行物理传输。

很多人对网络感兴趣，不管是学安全的，还是做通信的。如何把网络学得活灵活现？调试器肯定是一个非常高效的方法。为什么我们把代码阅读仅仅看作是第二层级呢？因为在阅读代码的时候，你往往读不到真正需要的代码，读到的都是死代码。只有在调试的时候，你才能读到活的代码，因为这个代码是真实运行的，你设置一个断点之后，才能真正看到它。

通过内核调试，我们可以提高理解内核的效率，通过设置断点，我们可以立刻发现很多问题。

当然，我们也可以用这样的方式来看待调度。

Child-SP          RetAddr           Call Siteffffff80`0f08bb00 ffffff80`090a060c lk!__switch_to+0x8 [arch/arm64/kernel/process.c @ 544]ffffff80`0f08bb90 ffffff80`090a10d8 lk!__schedule+0x2f4 [kernel/sched/core.c @ 3437]ffffff80`0f08bbb0 ffffff80`08082fa0 lk!preempt_schedule_irq+0x38 [./arch/arm64/include/asm/irqflags.h @ 62]ffffff80`0f08bbb0 00000000`9200004f lk!el1_preempt+0x8 [arch/arm64/kernel/entry.S @ 665]

dt prev -y commLocal var @ 0 Type task_struct*   +0x768 comm : [16]char[]  "Chrome_HistoryT"

dt next -y commLocal var @ 0 Type task_struct*   +0x768 comm : [16]char[]  "migration/0"

这是一个抢占式调度的执行过程，实际上就是将CPU上下文从一个线程切换到另一个线程。

自愿放弃行政权力

Child-SP          RetAddr           Call Siteffffff80`0a313d30 ffffff80`090a060c lk!cpu_switch_to [arch/arm64/kernel/entry.S @ 1067]ffffff80`0a313de0 ffffff80`090a0c80 lk!__schedule+0x2f4 [kernel/sched/core.c @ 3437]ffffff80`0a313e00 ffffff80`080e5f00 lk!schedule+0x38 [kernel/sched/core.c @ 4171]ffffff80`0a313e60 ffffff80`080e147c lk!smpboot_thread_fn+0x258 [kernel/smpboot.c @ 160]ffffff80`0a313ec0 ffffff80`08085db0 lk!kthread+0x12c [kernel/kthread.c @ 260]ffffff80`0a313ec0 00000000`00000000 lk!ret_from_fork+0x10 [arch/arm64/kernel/entry.S @ 1104]

线程切换的场景有很多种，有时候主动让出执行权，有时候主动把执行权交给调度器，由调度器负责切换。

由于等待信号量而切换线程

Child-SP          RetAddr           Call Siteffffff80`0d8abbb0 ffffff80`090a060c lk!cpu_switch_to [arch/arm64/kernel/entry.S @ 1067]ffffff80`0d8abc60 ffffff80`090a0c80 lk!__schedule+0x2f4 [kernel/sched/core.c @ 3437]ffffff80`0d8abc80 ffffff80`090a47b8 lk!schedule+0x38 [kernel/sched/core.c @ 4171]ffffff80`0d8abd40 ffffff80`090a30e8 lk!schedule_timeout+0x1e0 [kernel/time/timer.c @ 1795]ffffff80`0d8abdc0 ffffff80`0811a4cc lk!__down_interruptible+0xa0 [kernel/locking/semaphore.c @ 221]ffffff80`0d8abdf0 ffffff80`011c1134 lk!down_interruptible+0x54 [kernel/locking/semaphore.c @ 85]ffffff80`0d8abe60 ffffff80`080e147c bcmdhd!dhd_rxf_thread+0x9c [drivers/net/wireless/rockchip_wlan/rkwifi/bcmdhd/dhd_linux.c @ 6614]ffffff80`0d8abec0 ffffff80`08085db0 lk!kthread+0x12c [kernel/kthread.c @ 260]ffffff80`0d8abec0 00000000`00000000 lk!ret_from_fork+0x10 [arch/arm64/kernel/entry.S @ 1104]

有时候会进入等待，比如这里就是在等待一个信号量，当信号量调用down函数的时候就进入等待，触发线程切换。

从空闲线程中抛出工作

Child-SP          RetAddr           Call Siteffffff80`0a323e70 ffffff80`090a060c lk!cpu_switch_to [arch/arm64/kernel/entry.S @ 1067]ffffff80`0a323f20 ffffff80`090a104c lk!__schedule+0x2f4 [kernel/sched/core.c @ 3437]ffffff80`0a323f40 ffffff80`080f4f50 lk!schedule_idle+0x24 [./include/asm-generic/bitops/non-atomic.h @ 106]ffffff80`0a323fb0 ffffff80`080f5224 lk!do_idle+0x168 [kernel/sched/idle.c @ 292]ffffff80`0a323fd0 ffffff80`08097c38 lk!cpu_startup_entry+0x24 [kernel/sched/idle.c @ 370]ffffff80`0a324000 00000000`00000000 lk!secondary_start_kernel+0x150 [arch/arm64/kernel/smp.c @ 255]

另一种情况是从空闲线程切换到新线程。

如果你对内核调试感兴趣，我推荐你使用代码枪加GDK8，这是性价比非常高的内核调试方案。如果要自己搭建内核调试环境，无论是连接串口还是重新编译内核使用网络，都需要花费不少时间。代码枪加GDK8相当于拿到手后立刻连接，五分钟内断开内核，设置好符号后进入状态。

我把内核调试看作是学习Linux内核的第五个境界，这对应着王国维所说的第二个境界：“衣裳渐宽，我终不悔，为她憔悴。”当你达到这个境界的时候，你就会把学习内核看作是一种爱好，看作是一件理所当然的事情。

第六境界

相互

伴侣

最后一种状态很特殊，它有好几个名字，我现在写的这个名字比较优雅，叫陪伴。夫妻相伴到老。陪伴是一种很高的状态，我们和Linux内核之间的最高状态也是陪伴。

这种心态其实源自于NT内核。在NT内核开发的最后阶段，开发小组开始把这个正在开发的内核当成自己的工作机器。当然，最初也派了好几位专家去做这个任务，他们先把自己的机器换上正在开发的NT内核，然后自己用，马上就发现了大量Bug。作为一个软件工程师，你把你实际开发的系统当成你使用的系统，体会你写的代码是什么样的，感受你开发的产品是好是坏，有多差，有多好。如果你能达到这种心态，那是很了不起的。

目前对于整个Linux系统来说，它的可用性还是有些欠缺，所以很多人还是比较依赖桌面或者Mac。在我看来，如果你真的想学好Linux，决定投身Linux内核，为什么不干脆把工作机换成Linux呢？我今天就是干这个，所以最近一直背着两台电脑，虽然有点重，但其实没关系。上面那台是Linux的，很薄，因为无风扇，所以轻很多。

这个过程是需要付出一些努力的，但是这个努力的过程恰恰是我们学习的过程，在这个过程当中，我们才能更好的学习内核，因为在这个过程中，我们能够立刻感受到Linux环境当中存在的一些不足。

对于我来说，很多时间都是在Linux上开发一些代码，所以我在努力将自己的开发环境切换到Linux，也鼓励大家和我一起这样做。有人说：“我不要当实验鼠，不要这样，等大家都体验好了，我再切换到Linux。”这不是开发者的心态，而是普通用户的心态。作为一名程序员，你要时刻站在技术的最前沿，学习新技术，遇到各种问题，就去解决。当然，我这样说并不是为了让大家在没有问题的时候发现问题，而是要有一个真实的环境，这样你遇到的问题才很有代表性，有意义，有价值，代表着趋势，然后你去钻研这些问题，就是为了顺应这个趋势。

进入这种状态，我想只要坚持，就能达到王国维总结的第三种境界——“我千方百计于众人之中寻他，回头在灯火阑珊处寻他”。坚持下去，昼夜陪伴在Linux环境里，今天学一点，明天学一点，你输入的每一个命令，你进行的每一个操作，你点击的每一个鼠标按钮，你都在感受Linux、学习Linux、与内核对话。这时候你的进步是一点一滴的，无形中你在向前走。有了这样的日常陪伴，相信有一天你回头一看，会发现自己的水平不一样了，自然而然就会明白内核的各种机制了。

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