4个月打通Linux内核

一、第1个月：搭建内核学习的“基础设施”1. 理论框架：操作系统原理是“内功心法”
核心书籍：《操作系统：设计与实现》（Tanenbaum）
必学3大概念：
进程调度：理解“时间片轮转”如何解决CPU争抢；
内存分页：搞懂“虚拟地址→物理地址”的映射魔术；
中断机制：明白“键盘输入”如何打断内核并被处理。
实验验证：用QEMU运行MINIX系统，通过PS命令观察进程状态变化，对应书本中的“进程生命周期”理论。
2. 内核概览：源码目录是“地图”
重点目录解析：
init/：内核启动入口（mAIn.c中的start_kernel()）；
kernel/：进程管理核心（sched.c调度器、fork.c进程创建）；
mm/：内存管理（page_alloc.c伙伴系统、slab.c缓存分配）。
智优达Linux嵌入式系统编程技巧：用tree -L 1命令生成内核目录树，标注重点模块（如进程、内存、文件系统），形成“知识地图”。
3. 开发环境：编译内核是“第一道门槛”
实操步骤：
bash复制# 下载稳定版源码（5.15 LTS长期支持） wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.15.93.tar.xz  tar xvf linux-5.15.93.tar.xz && cd linux-5.15.93  # 配置内核（新手推荐defconfig） make defconfig  # 生成默认配置 make menuconfig  # 图形化界面微调（如开启DEBUG_KERNEL）  # 编译内核（-j4启用4线程，耗时约1-2小时） make -j4  # 用QEMU启动调试 qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage -nographic
工具链：VSCode+ctags（代码跳转）、GDB+kgdb（设置断点调试）。
二、第2个月：攻坚两大核心子系统1. 进程管理：task_struct是“进程身份证”
核心数据结构：
c复制struct task_struct {      volatile long state;  // 进程状态（RUNNING/SLEEPING）      pid_t pid;            // 进程ID      struct mm_struct *mm; // 内存管理结构体（虚拟地址空间）      struct task_struct *parent; // 父进程指针 };
源码阅读：kernel/fork.c中的copy_process()函数，看子进程如何“复制”父进程资源（写时复制技术）。
实验：编写内核模块，遍历系统所有进程并打印PID：c复制#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/sched.h> // for for_each_process static int __init proc_tracer_init(void) {     struct task_struct *p;      for_each_process(p) {  // 遍历进程链表          printk("PID: %d, Name: %s\n", p->pid, p->comm);     }     return 0; } module_init(proc_tracer_init); MODULE_LICENSE("GPL");
2. 内存管理：Buddy系统如何“分配内存”
核心原理：
物理内存被分成2^n大小的块（如16KB、32KB），通过free_area数组管理空闲块；
分配内存时，找到最小适配块，若过大则“分裂”成小 block；释放时“合并”相邻块。
源码定位：mm/page_alloc.c中的alloc_pages()函数，重点看__alloc_pages_nodemask()的分配逻辑。
三、第3个月：文件系统与设备驱动1. VFS：虚拟文件系统的“抽象之美”
四大对象：
super_block：文件系统超级块（如ext4的全局信息）；
inode：文件元数据（大小、权限，无文件名）；
dentry：目录项（维护文件名→inode的映射）；
file：进程打开的文件实例（读写位置、文件指针）。
实验：用strace cat /proc/cpuinfo跟踪系统调用，观察open()→read()→close()的调用链。
2. 字符设备驱动：写一个“能说话”的内核模块
驱动框架：
c复制#include <linux/fs.h> #include <linux/module.h>  static int hello_open(struct inode *inode, struct file *file) {     printk("Hello, driver opened!\n");     return 0; }  static struct file_operations fops = {     .open = hello_open, };  static int __init hello_driver_init(void) {     register_chrdev(240, "hello_drv", &fops); // 注册设备号240      return 0; } module_init(hello_driver_init); MODULE_LICENSE("GPL");
测试步骤：insmod hello.ko加载驱动，mknod /dev/hello c 240 0创建设备文件，cat /dev/hello触发open函数。
四、第4个月：综合实战与知识串联1. 系统调用跟踪：从用户态到内核态
完整流程：以write()为例
用户态调用write(fd, buf, len)；
陷入内核（int 0x80或syscall指令）；
内核通过sys_call_table找到sys_write()；
VFS调用具体文件系统的write方法（如ext4_write）；
驱动层将数据写入硬件（如磁盘、串口）。
2. 项目实战：编写“进程监控”内核模块
功能：监控特定进程（如bash）的创建与退出，记录PID和时间戳。
技术点：挂钩do_fork()和do_exit()函数，使用内核定时器jiffies记录时间。