看 Linux kernel 應具備的首要觀念是？

jollen 發表於 March 24, 2007 4:09 PM

Linux kernel 是狀態機還是結構化程式流程？

作業系統（Operating System）的研究，我們以 Linux kernel 的探討來說明一些應有的正確觀念。

對於 Linux kernel 的研究，最經常聽到有人提起「kernel source code」的研讀與分析，並且最常看到的研究方式為「尋找 kernel 進入點，並依照程式流程（flow）做循序研究」，不過，這卻是一種「大部份情況下都錯誤」的研究方式。

由於電腦系統是一種 foreground-background system，並且 Linux kernel 是在此系統上的作業系統，因此整體的 kernel 行為是「control patch」，也就是「控制權的轉移」與「系統狀態的改變」，並不是「程式（函數）流程（flow）」，或是「程式結構（structure）」的問題；最近有朋友問起這方面的議題，正好也在進行 Linux device driver 的 training，因此特別整理這則日記，來與大家分享，若有任何論述上的失誤，或是有不同的觀點，歡迎在這裡留言分享。

許多人對於「作業系統」的觀念可能真的有點薄弱；具體來說，對於 kernel 內部原理的研究，其方法應該是：

1. kernel 的開機階段，是以「流程（flow）」的角度來做討論。

2. kernel 完成開機後，會執行 init process，由此正式切換到 F/B system 的觀念，也就是整個系統是一個偌大的狀態機，整個系統內部是一連串複雜的控制權轉移動作。

最近朋友希望我能針對「kernel 的執行流程」做簡單介紹，但是這個問題在命題上應當有修正或是觀念澄清的空間。由於電腦本身是一種 foreground-background system，因此 foreground 的工作會影響 CPU 將控制權移交到 background 的哪一個部份；如果把 user-space 當成 foreground，kernel-space 當成 background，那麼整體系統便能以下圖表示。

Background 受到 foreground 行為的影響，拿以下二個 process 為例，雖然執行結果相同，但因為 foreground 內部的行為不同，因此 control path 也會不同：

/* Process P */

int main(void)
{
   char buf[] = "Hello, World!";

   printf("%s", buf);
   return 0;
}



/* Process Q */

#define STR "Hello, World!"

int main(void)
{
   char *buf;

   buf = malloc(strlen(STR)+1);
   strcpy(buf, STR);
   
   printf("%s", buf);
   return 0;
}

此時，仍是以「流程圖」邏輯來思考的話，當然無法領會箇中奧妙。簡單二個不同的 process，CPU 將控制權移轉到作業系統的路徑（也就是 kernel 執行了哪些程式碼），居然有這麼大的差異。如果再把排程器（scheduler）加入，那麼整個控制路徑很可能「不同時間執行同一程式」也會不同。Tricky！

以研究方法來說，命題時觀念的失誤，終將無法得到正確且完善的結論，因此「希望就 kernel 的執行流程」做討論的命題，應當做修正，並且給定一個更明確的題目；再者，若無法體認 kernel 是一個大型的狀態機，而仍以「流程與程式結構」的觀念來思考，除了在問題的描述會有相當大的誤差外，可能也會對「如何了解 kernel source code」的方法摸不著頭緒。

由此可知，整體系統在 kernel 開完機並執行 init process 後，就必須針對其「行為」做分析與研究，而不是徘徊在「結構化 C 程式」的圈圈裡；這個觀念證明了「逐行看 code」並不是研究 kernel 原理的正確方法。

Kernel 本身的行為是一連串複雜的狀態改變與控制權轉移，因此是狀態機的觀念。至於，研究方法是採用流程或是控制路徑的觀念進行，就看我們想要讀的是哪一個部份的 source code。前面提到研究 kernel 的二個階段與方式，當中的轉捩點為 init process，接續 init process，建議可先由 program execution（process creation）的觀念開始切入，以了解整個作業系統的行為。

所以，kernel 的研究，是以其動態（run-time）時期行為（behavior）的分析與觀察為主。

來源: www.jollen.org

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