1.6.4　学习Linux内核的方法

学习Linux内核的最大工作就是对内核代码进行分析，如果抱着走马观花、得过且过的态度，最终结果很有可能是没有多大的收获。学习内核应该遵循科学、严谨的态度，要做到真正理解每一段代码的实现，并且在学习过程中要多问、多想、多记。

上述学习Linux内核的方法非常重要，接下来通过两个具体的应用来演示学习Linux内核的过程。

1．分析USB子系统的代码

Linux内核中USB子系统的代码位于drivers/usb目录下，进入该目录，执行命令ls后将会显示如下结果。

目录drivers/usb包含10个子目录和4个文件，为了理解每个子目录的作用，有必要首先阅读README文件。根据README文件的描述，得知drivers/usb目录下各个子目录的作用，具体说明如下。

（1）core

core是内核开发者针对部分核心的功能特意编写的代码，用于为其他设备驱动程序提供服务，比如申请内存，实现一些所有的设备都会需要的公共函数，并命名为USB core。

（2）host

早期的内核结构并不像现在这样富有层次感，几乎所有的文件都直接堆砌在drivers/usb/目录下，其中包括usb core和其他各种设备驱动程序的代码。

后来在drivers/usb/目录下单独列出了core子目录，用于存放一些比较核心的代码，如整个USB子系统的初始化、root hub的初始化、host controller的初始化代码。

后来随着技术的发展，出现了多种USB host controller，于是内核开发者把host controller有关的公共代码保留在core目录下，而其他各种host controller对应的特定代码则移到host目录下，让相应的负责人去维护。为此，针对host controller单独创建子目录host，它用于存放与其相关的代码。

（3）gadget

gadget用于存放USB gadget的驱动程序，控制外围设备如何作为一个USB设备和主机通信。比如，嵌入式开发板通常会支持SD卡，使用USB连接线将开发板连接到PC时，通过USB gadget架构的驱动，可以将该SD卡模拟成U盘。

除core、host和gadget之外，其他几个目录分门别类地存放各种USB设备的驱动，如U盘的驱动位于storage子目录，触摸屏和USB键盘鼠标的驱动位于input子目录。

因为我们的目的是研究内核对USB子系统的实现，而不是特定设备或host controller的驱动，所以通过对README文件的分析，应该进一步关注core子目录。

2．分析USB系统的初始化代码

通过分析Kconfig和Makefile文件，可以用户在庞大复杂的内核代码中定位以及缩小目标代码的范围。为了研究内核对USB子系统的实现，需要在目标代码中找到USB子系统的初始化代码。

Linux内核针对某个子系统或某个驱动，使用subsys_initcall或module_init宏来指定初始化函数。在内核文件drivers/usb/core/usb.c中，可以发现以下代码。

在上述代码中，可以将subsys_initcall理解为module_init，只不过因为该部分代码比较核心，开发者们把它看作一个子系统，而不仅仅是一个模块。在Linux中，类似此类别的设备驱动被归结为一个子系统，如PCI子系统和SCSI子系统。通常drivers/目录下第一层的每个目录代表一个子系统，因为它们分别代表了一类设备。

subsys_initcall（usb_init）表示函数usb_init（）是USB子系统的初始化函数，而module_exit则表示usb_exit函数是USB子系统结束时的清理函数。为了研究USB子系统在内核中的实现，需要从函数usb_init（）开始分析，对应的内核代码如下。

接下来开始分析上述代码。

（1）标记__init

关于usb_init，第一个问题是上述第一行代码中的__init标记有什么意义？在前面讲解GCC扩展的特殊属性section时曾经提到，__init修饰的所有代码都会被放在.init.text节，当初始化结束后就可以释放这部分内存。但是内核是如何调用到__init所修饰的这些初始化函数的呢？为了回答这个问题，需要用到subsys_initcall宏的知识，它在文件include/linux/init.h中的定义格式如下。

此时出现了一个新的宏__define_initcall，它用来将指定的函数指针fn存放到.initcall.init节。对于subsys_initcall宏，则表示把fn存放到.initcall.init的子节.initcall4.init。

为了理解.initcall.init、.init.text和.initcall4.init之类的符号，还需要了解和内核可执行文件相关的概念。内核可执行文件由许多链接在一起的对象文件组成。对象文件有许多节，如文本、数据、init数据、bass等。这些对象文件都是由一个称为链接器脚本的文件链接并装入的。这个链接器脚本的功能是将输入对象文件的各节映射到输出文件中。换句话说，它将所有输入对象文件都链接到单一的可执行文件中，将该可执行文件的各节装入指定地址处。vmlinux.lds是保存在arch/<target>/目录中的内核链接器脚本，它负责链接内核的各个节并将它们装入内存中特定偏移量处。

打开文件arch/i386/kernel/vmlinux.lds，搜索关键字initcall.init后便会看到以下结果。

其中__initcall_start指向.initcall.init节的开始，__initcall_end指向.initcall.init节的结尾。而.initcall.init节又被分为如下7个子节。

宏subsys_initcall将指定的函数指针放在了.initcall4.init子节，至于其他宏的功能也类似，如core_initcall将函数指针放在了.initcall1.init子节，device_initcall将函数指针放在.initcall6.init子节等。

各个子节的顺序是确定的，即先调用.initcall1.init中的函数指针，然后调用.initcall2.init中的函数指针。__init修饰的初始化函数在内核初始化过程中调用的顺序和.initcall.init节里函数指针的顺序有关，不同的初始化函数被放在不同的子节中，因此也就决定了它们的调用顺序。

（2）模块参数

在前面usb_init函数（）代码中，代码nousb在drivers/usb/core/usb.c文件中定义为如下格式。

从中可知nousb是个模块参数，用于在内核启动时禁止USB子系统。关于模块参数，可以在加载模块时可以指定，但是如何在内核启动时指定？打开系统的grub文件，然后找到kernel行，如下面的代码。

其中的root、splash、vga等都表示内核参数。当某一模块被编译进内核时，它的模块参数便需要在kernel行来指定，其格式为

如下面的代码。

对应到kernel行的代码如下。

通过命令modinfo -p /parameters/目录，可以使用以下命令去修改。

关于函数usb_init（），除了上面介绍的代码外，余下的代码分别完成usb各部分的初始化。其他代码的具体分析工作可以参阅下载Linux内核代码，具体含义可以参阅相关的书籍和资料。在此不再详细介绍。