Linux 核心--1.前言

原著:　David　A　Rusling

翻译:　Banyan　&　fifa

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本书是为那些想了解Linux内核工作原理的Linux狂热爱好者而写。它并非一本内部手册。主要描叙了Linux设计的原理与机制；以及Linux内核怎样工作及其原因。

Linux还在不断改进；本书基于目前比较流行且性能稳定的2.0.33核心。

Version　0.8-3

David　A　Rusling

david.rusling@arm.com

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前言
Linux是互连网上的独特现象。虽然它是由学生的业余爱好发展而来，但是现在它已经成为最为流行的免费操作系统。对很多人来说，Linux是一个谜。免费的东西怎么会变得如此有价值？在个由少数软件公司统治的世界，由一帮HACKER们编写的东西是怎样与那些公司的产品竞争的？　这些软件是如何分发给分布在世界各个角落，希望得到稳定产品的人们的？事实上Linux的确稳定而富有竞争力。许多大学与研究机构都使用Linux完成他们的日常计算任务。人们在家用PC上使用Linux,许多公司也在使用它--尽管他们并不总是乐意承认这点。Linux主要用来浏览WEB，管理WEB站点，撰写与发送EMAIL，以及玩游戏。Linux绝对不是玩具而是具有专业水平的操作系统，它的爱好者遍及世界。

Linux的源头要追溯到最古老的UNIX 。1969年，Bell实验室的Ken　Thompson开始利用一台闲置的　PDP-7计算机开发了一种多用户，多任务操作系统。很快，Dennis　Richie加入了这个项目，在他们共同努力下诞生了最早的UNIX 。Richie受一个更早的项目——MULTICS的启发，将此操作系统命名为Unix 。早期UNIX是用汇编语言编写的，但其第三个版本用一种崭新的编程语言C重新设计了。C是Richie设计出来并用于编写操作系统的程序语言。通过这次重新编写，Unix得以移植到更为强大的　DEC　PDP-11/45与11/70计算机上运行。后来发生的一切，正如他们所说，已经成为历史。Unix从实验室走出来并成为了操作系统的主流，现在几乎每个主要的计算机厂商都有其自有版本的Unix.

Linux起源于一个学生的简单需求。Linus　Torvalds,Linux的作者与主要维护者，在其上大学时所买得起的唯一软件是Minix.　Minix是一个类似Unix，被广泛用来辅助教学的简单操作系统。Linus　对Minix不是很满意，于是决定自己编写软件。他以学生时代熟悉的Unix作为原型，在一台Intel　386　PC上开始了他的工作。他的进展很快，受工作成绩的鼓舞，他将这项成果通过互连网与其他同学共享，主要用于学术领域。有人看到了这个软件并开始分发。每当出现新问题时，有人会立刻找到解决办法并加入其中，很快的，Linux成为了一个操作系统。值得注意的是Linux并没有包括Unix源码。它是按照公开的POSIX标准重新编写的。Linux大量使用了由麻省剑桥免费软件基金的GNU软件，同时Linux自身也是用它们构造而成。

许多人将Linux视作简单工具并将其放入CDROM中来分发。很多Linux使用者使用它来编写应用程序或者运行别人编写的应用程序。这些人热切的阅读HOWTO手册，当系统的一部分被正确的设置时，他们总是激动不已，失败时则沮丧气馁。只有少部分人敢于编写设备驱动程序并将核心的补丁提供给Linus　Torvalds，Linus　Torvalds从每个志愿者那里接收补充代码与对核心的修改代码。

这种情形听起来象非常混乱，但Linus进行了非常严格的质量控制并由他负责将所有的新代码加入核心。只有少部分人对Linux　核心贡献了源代码。大多数Linux的使用者并不关心系统是如何工作，或者如何组合在一起的。这种情况令人惋惜，因为阅读Linux源代码提供了一个学习操作系统的绝好机会。这不仅仅因为它写得好，还因为它的源码是可以免费得到的。因为虽然作者们对其软件保留版权，但是在免费软件基金的GNU公开授权下源代码是可以自由分发的。第一眼看去，源码是非常复杂的。但是通过进一步观察你可以发现源码目录中包含有Kernel,mm以及net的目录，不过要想知道这些目录中包含了那些代码以及代码是如何工作的就需要对Linux的总体结构与目标有较深入的理解。简而言之，这也是本书所希望达到的目标，为读者提供一个Linux如何工作清晰的印象。当你将文件从一个目录拷到另一个目录或者阅读电子邮件时，不妨在脑海中勾勒一下系统中正在发生什么事情，我还清楚的记得当我感到第一次认识到操作系统真的在工作时的兴奋。这种兴奋正是我想将它带给本书的读者的。

我第一次接触Linux在1994年下半年当我拜访Jim　Paradis时，当时他正在致力于将Linux移植到Alpha　AXP处理器系统上。从1984年开始，我曾经在DEC公司任职，主要工作是网络与通讯。1992年我开始为新成立的Digital　Semiconductor分部工作。此分部的任务是全面进入商用芯片市场并销售芯片，特别是Alpha　AXP系列处理器以及DEC以外的Alpha　AXP系统板。当首次听到Linux时我便立刻意识到了这是一个有趣的机会。Jim的狂热是鼓惑人心的，我也开始帮他一起工作。在工作中，我越来越喜欢这个操作系统及创造它的工程师团体。

Alpha　AXP仅仅是Linux可以运行的多种平台中的一个。大多数Linux核心工作在基于Intel处理器　的系统上，但非Intel系统的Linux用户也越来越多。它们是Alpha　AXP,　ARM,　MIPS,　Sparc与Power　PC 。虽然我可以根据上叙任何一种平台来编写本书的内容，但是我的技术知识与背景让我主要根据Alpha　AXP处理器和ARM处理器来编写。这是本书有时使用非Intel硬件来描叙一些重要观点。值得注意的是，不管运行在哪种平台上，95%的Linux核心代码都是相同的。同样，本书95%的内容是关于Linux　内核的机器无关部分的讨论。

本书对读者的知识与经验没有任何要求。我相信对于某一事物的兴趣是鼓励自学的必要因素。不过对于计算机，或者PC和C程序语言的了解将有助于读者从有关材料中获益。

本书的组织
本书并不是特意一本Linux的内部手册。相反它是对操作系统的介绍，同时以Linux作为示例。书中每一章遵循“从共性到特性”的原则。它们将首先给出核心子系统的概叙，然后进行尽可能的详细描叙。我不会用routine_X()调用routine_Y()来增加bar数据结构中foo域的值这种方式来描叙核心算法。你自己可以通过阅读代码发现它。每当需要理解一段代码时，我总是将其数据结构画出来。这样我发现了许多相关的核心数据结构以及它们之间的关系。每一章都是非常独立的，就象Linux核心子系统一样。当然有时它们还是有联系的，比如说，如果你没有理解虚拟内存工作原理就无法描叙进程。硬件基本概念一章对现代PC做了简要介绍。操作系统必须与硬件系统紧密结合在一起协同工作。操作系统需要一些只能够由硬件提供的服务。为了全面理解Linux，你必须了解有关硬件的基础知识。软件基本概念一章介绍了软件基本原理与C程序语言。讨论了建立Linux这样的操作系统的工具并且给出了操作系统的目标与功能的概叙。内存管理这章描叙了Linux如何处理物理内存以及虚拟存储技术。进程管理描叙了进程的概念以及Linux核心是如何创建、管理与删除系统中的进程。进程间及进程与核心间通讯以协调它们的活动。Linux支持大量进程间通讯（IPC）机制。信号与管道是　其中的两种，Linux同时还支持系统V　IPC机制。这些进程间通讯机制在IPC一章中描叙。外部设备互连（PCI）标准已经成为PC上低价位高数传率的总线标准。PCI一章将描叙Linux核心是如何初始化并使用PCI总线及设备的。中断及中断处理一章将着重于Linux核心对中断的处理。虽然处理中断有通用的机制与接口，但某些细节是与硬件及CPU体系结构相关的。Linux的一个长处是其对现代PC的硬件设备强有力的支持。设备驱动程序一章将描叙Linux核心是如何控制系统中的物理设备。文件系统一章描叙了Linux核心是如何维护它所支持的文件系统中的文件。同时还描叙了虚拟文件系统（VFS）及Linux核心的每种文件系统是如何得到支持。网络与Linux几乎是同义的。在某种意义上Linux是WWW时代互连网的产物。其开发者通过Web来交换信息及代码。网络一章描叙了Linux是如何支持TCP/IP这些网络协议。核心机制一章主要讨论能使Linux核心其他部分有效工作而由核心所提供的一些通用任务与机制。动态模块一章描叙Linux核心是如何仅在需要时动态加载某些模块，比如文件系统。处理器一章给出了目前Linux可以在其上运行的一些处理器的简要介绍。资源一章则提供了有关Linux核心资源的有用信息。