摘  要： Linux內(nèi)核龐大并且可定制性非常高，而且目前市場上并沒有學習內(nèi)核的指導軟件。針對Linux內(nèi)核學習難、配置難等問題，對Linux內(nèi)核模塊進行了重新的邏輯劃分，提出了“虛目錄”的概念，并在此基礎(chǔ)上，圍繞Linux內(nèi)核的編譯選項設計并開發(fā)了一款學習指導軟件。該軟件為一套內(nèi)核編譯配置的輔助工具，虛目錄的劃分清晰地展示了內(nèi)核功能模塊的邏輯劃分，展開虛目錄后，會顯示與此虛目錄功能配置相關(guān)的所有編譯配置選項，使用戶了解到該目錄項的功能是通過哪些編譯選項來配置的。編譯配置選項之間存在著編譯依賴關(guān)系，本軟件可以從源碼的層次（如函數(shù)調(diào)用、變量引用等）來解釋編譯依賴關(guān)系的具體實現(xiàn)。
　　關(guān)鍵詞： Linux內(nèi)核；虛目錄；編譯選項；交互式圖解軟件
0 引言
　　Linux操作系統(tǒng)以其開源源碼、高性能和高可靠性等諸多優(yōu)勢在商業(yè)服務器和個人桌面系統(tǒng)中得到日益廣泛的應用。近年來，隨著Linux內(nèi)核的不斷發(fā)展和完善，內(nèi)核變得日趨龐大，想深入了解其模塊的劃分以及各個模塊的功能機制，也變得相對困難。在對Linux體系結(jié)構(gòu)及內(nèi)核功能模塊間關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，對Linux內(nèi)核進行了重新的邏輯架構(gòu)劃分，形成“虛目錄”，并且將所有內(nèi)核源碼分配到相應的虛目錄下。同時，Linux內(nèi)核的可定制性也是非常高的，它有著數(shù)以萬計的編譯配置選項，針對不同的需求可以進行相應的配置。但是，如此大數(shù)目的編譯配置選項也正是問題的所在，不管是初學者，還是內(nèi)核的精通者，都無法保證能了解到每個編譯配置選項處于內(nèi)核的哪個大模塊中，以及編譯選項配置所涉及的文件，等等。通過對內(nèi)核Kconfig文件的語法分析，識別出所有的編譯選項；通過對Makefile文件的語法分析，解析出每個編譯所需要的源碼文件；根據(jù)之前劃分好的虛目錄，以源碼文件作為中介，將編譯選項劃分到相應的虛目錄中。這樣就可以很清楚地知道內(nèi)核的哪些功能（虛目錄）需要哪些配置選項去配置，以及每個配置選項配置需要涉及哪些文件。為了深入到最底層來了解每個功能以及配置的實現(xiàn)，對文件進行解析，提取出具體函數(shù)以及變量的調(diào)用關(guān)系。虛目錄與編譯選項的關(guān)系，通過逐層細化，可以很清晰地體現(xiàn)到底層的函數(shù)與變量的關(guān)系上，對各個模塊功能的具體實現(xiàn)進行了很好的展示。
　　使用本交互式圖解軟件可以從細節(jié)上理清Linux的代碼，從宏觀上的邏輯模塊（虛目錄）層層細化到小模塊、編譯選項、文件、函數(shù)來快速地認識Linux內(nèi)核以及內(nèi)核各個模塊間的關(guān)系。
1 虛目錄
　　1.1 虛目錄概念
　　本軟件是對于Linux內(nèi)核架構(gòu)、編譯選項以及各層次關(guān)系的詳細展示。Linux內(nèi)核架構(gòu)也是整個軟件依托的基礎(chǔ)。但是Linux內(nèi)核源碼的固有架構(gòu)（目錄劃分）是相對工程化的，不便于用戶的理解，比如：（1）/kernel文件夾意義不明確，包括多個功能模塊中的內(nèi)容；（2）對于arch文件夾，實際運行的Linux內(nèi)核只對應一個架構(gòu)，并且arch文件夾下的內(nèi)容與許多其他功能模塊緊密相關(guān)；（3）/mm、/virt/kvm等目錄需要繼續(xù)細化。
　　于是本文提出了虛目錄的思想，虛目錄是與實目錄（即內(nèi)核源碼的相對路徑）相對應的說法。本文將內(nèi)核源代碼根據(jù)其功能及邏輯關(guān)系進行了重新劃分。與實目錄相比，虛目錄體現(xiàn)了內(nèi)核的邏輯結(jié)構(gòu)，虛目錄按照內(nèi)核的功能對源碼進行了重新的組織，更人性化，更體現(xiàn)了源碼的相關(guān)性和功能性。
　　1.2 虛目錄劃分
　　對于虛目錄的劃分，主要是從以下4個方面來綜合考慮的：
　?。?）重點閱讀了Linux內(nèi)核源碼[1-6]。眾所周知，功能相關(guān)聯(lián)或者類似的內(nèi)核代碼大多都在相同目錄下（比如ext4和btrfs都在fs目錄下），因此Linux內(nèi)核源碼的組織方式可以作為模塊劃分的一個重要參考；
　?。?）參考關(guān)于內(nèi)核的經(jīng)典書籍（如：《Understanding the Linux Kernel》[1]、《Professional Linux Kernel Architecture》[2]、《Linux內(nèi)核源代碼情景分析》[3]、《Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析》[4]、《Linux內(nèi)核分析及高級編程》[5]、《Linux內(nèi)核完全注釋》[6]等），這些書籍的各個章節(jié)（比如進程、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)）既可作為各個子模塊來進行單獨分析，同時排版上相鄰的章節(jié)（比如進程、中斷等）關(guān)聯(lián)比較緊密，可以考慮劃分到大的模塊中來進行分析；
　?。?）參考現(xiàn)有的一些模塊劃分手段，比如主流的五大子系統(tǒng)的劃分：內(nèi)存管理、進程調(diào)度、進程間通信、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡子系統(tǒng)，以及kernel map圖；
　?。?）查看了Linux內(nèi)核的維護者列表，由相同人員來維護的內(nèi)容，往往是同一個子模塊，或者是同一模塊的不同子模塊，這可以作為模塊劃分輔助手段，來幫助確定各個模塊的劃分；
　?。?）與紅帽、阿里等內(nèi)核小組負責人進行交流，對于存在疑問、分歧的劃分點進行討論，以保證劃分的合理性。
　　虛目錄相對于實目錄，最大的改變在于以下幾點：
　?。?）/kernel文件夾：實目錄中，此文件夾的意義并不是很明確，所包含的文件功能涉及很多模塊，需要將其劃分到多個模塊中；
　　（2）/arch文件夾：實際運行的Linux系統(tǒng)中只有一種體系架構(gòu)，任一體系結(jié)構(gòu)中包含的文件也是涉及內(nèi)核中的各個大模塊的，為了保證其他各個模塊功能的完整性，需要將/arch文件夾下的各個體系架構(gòu)所包含的文件細分到其他各大模塊中，剩余的common文件應該隸屬于系統(tǒng)管理；
　　（3）/mm、/virt/kvm等目錄：內(nèi)核中有一些這樣的模塊，從它的機制來理解，它應該是架構(gòu)分層的，但是在實際的源碼中卻并非如此，它將包含的所有文件平級地放在了一個大文件夾下，對于這樣的模塊，本文按照架構(gòu)和功能對其重新做了劃分；
　?。?）將Linux內(nèi)核分成以下8大模塊：進程管理、內(nèi)存管理、系統(tǒng)運行、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡模塊、安全模塊、設備管理和虛擬化（各個模塊具體內(nèi)容可以參看下面的模塊圖）；同時，由于各個大模塊的功能和復雜程度各不相同，為了較好地對各模塊進行分析，并沒有拘泥于嚴格的模塊分層，而是針對每個特定的模塊進行了適當?shù)姆謱樱瑥亩玫赝瓿蓪Ω鱾€模塊的分析。
　　圖1為Linux內(nèi)核虛目錄。

2 軟件架構(gòu)設計
　　本軟件采用B/S架構(gòu)，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

　　根據(jù)上面的架構(gòu)設計，可以把系統(tǒng)分為圖3所示的幾個模塊。
　　各模塊設計如下：

　　展示模塊：負責前臺數(shù)據(jù)的展示，可以分為如下兩個子模塊：
　?。?）布局模塊：用來計算各個矢量圖的坐標位置布局，以及拖拽、放大、縮小等之后的布局。
　?。?）渲染模塊：將布局模塊計算好之后的坐標，使用Raphael的庫來渲染到界面上。
　　數(shù)據(jù)交互模塊：
　　（1）數(shù)據(jù)獲取模塊：從MySQL數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過格式化之后，轉(zhuǎn)換成json格式。
　?。?）數(shù)據(jù)持久化模塊：提供數(shù)據(jù)持久化接口，可以將數(shù)據(jù)持久化到數(shù)據(jù)庫中。
　　數(shù)據(jù)爬取模塊：
　　（1）數(shù)據(jù)實體（虛目錄、模塊、文件、函數(shù)、變量）爬取：①爬取虛目錄、模塊以及文件并存儲到數(shù)據(jù)庫之中；②爬取文件中函數(shù)及變量的數(shù)據(jù)，并存儲到數(shù)據(jù)庫中。
　?。?）關(guān)系爬?。号廊。?）中的元素之間的關(guān)系，并存儲到數(shù)據(jù)庫中。
　　2.1 展示模塊
　　前端采用Jquery和Raphael在Web界面上畫出所需要的矢量圖，用來表示模塊及模塊之間的關(guān)系，以及函數(shù)/變量之間的關(guān)系。
　　2.2 數(shù)據(jù)交互模塊
　　交互式圖解軟件中，使用PHP作為中間層，連接前端界面與后端數(shù)據(jù)庫，前端使用的JavaScript繪圖引擎會向PHP發(fā)出getJSON請求，PHP解析參數(shù)，完成指定類型的數(shù)據(jù)查詢工作，最后形成與前端統(tǒng)一標準json結(jié)構(gòu)，利用回調(diào)函數(shù)的形式返回給前端繪圖引擎。其整個過程如圖4所示。

　　2.3 數(shù)據(jù)爬取模塊
　　數(shù)據(jù)爬取模塊主要負責數(shù)據(jù)實體（虛目錄、模塊、文件、函數(shù)、變量）爬取以及這些實體之間關(guān)系的爬取。爬取模塊邏輯如圖5所示。

　　整體思想：
　?。?）根據(jù)Linux內(nèi)核文檔kconfig-language.txt的說明，了解Kconfig語法規(guī)則。在此基礎(chǔ)上，對Linux內(nèi)核的Kconfig文件做語法分析，爬取出Linux定義的編譯選項及其之間的關(guān)系。
　?。?）根據(jù)Linux內(nèi)核文檔makefile.txt和modules.txt的說明，了解Makefile文件中，定義編譯選項對應文件的規(guī)則。在此規(guī)則基礎(chǔ)上，對Linux內(nèi)核的Makefile文件進行語法分析，爬取出編譯選項與文件關(guān)系。
　?。?）函數(shù)與文件關(guān)系的數(shù)據(jù)爬取方面，可用的現(xiàn)成開源工具較多，經(jīng)過調(diào)研，可以使用到的工具主要有：Clang編譯器、ctags、cscope、eclipse CDT插件、pycparser等?；パa的運用這些工具，對Linux內(nèi)核源碼文件進行AST或者符號標記的生成并輸出為中間文件，然后對這些文件進行讀取，可以解析獲得變量、函數(shù)、宏的定義與它們之間的調(diào)用關(guān)系。
　　在爬取完上述關(guān)系之后，存在一個比較大的疑問，即虛目錄如何與編譯選項對應虛目錄與編譯選項的對應，可以通過文件巧妙的連接起來。對于劃分好的虛目錄的爬取，得到了虛目錄與文件的層次結(jié)構(gòu)；對于Makefile的爬取，得到了編譯選項與文件的對應關(guān)系。從而，通過一個編譯選項包含了哪些文件，這些文件位于哪些虛目錄下，就可以確定編譯選項位于哪些虛目錄下了。
3 軟件展示
　　3.1 實例場景
　　內(nèi)核的輸入和輸出都屬于設備驅(qū)動的范疇。在進行虛目錄劃分時，將其劃分為設備驅(qū)動下輸入子系統(tǒng)。內(nèi)核的輸入子系統(tǒng)是對分散、多種不同類別的輸入設備（如鍵盤、鼠標、操縱桿、觸摸屏、加速計和手寫板）進行統(tǒng)一處理的驅(qū)動程序。
　　內(nèi)核輸入子系統(tǒng)的頂層核心編譯選項配置是CONFIG_INPUT，Kconfig中說明如圖6所示。

　　可以看出，此編譯選項默認為打開狀態(tài)，任何輸入設備（mouse、keyboard…）需要連接到系統(tǒng)，必須保證其為打開狀態(tài)，不然輸入設備是無法加載驅(qū)動的。
　　相應Makefile的定義如圖7所示。

　　可以看出，配置該選項后，將編譯input.c、input-compat.c、input-mt.c、ff-core.c，通過實際分析文件可以了解到，這些文件中實現(xiàn)了諸如input_register_handler（），input_unregister_handler（）等INPUT子系統(tǒng)的核心函數(shù)。
　　而mosue dev很顯然屬于輸入設備中的一部分。既然CONFIG_INPUT是輸入子系統(tǒng)的頂層核心編譯選項，那么實際的輸入設備的配置必然是依賴于它的，從Kconfig的定義中發(fā)現(xiàn)/drivers/input/Kconfig片段如圖8所示。

　　INPUT_MOUSEDEV編譯選項確實處于INPUT配置的IF條件中（為了方便截圖，用省略號省去了其他配置說明）。

　　從相應的Makefile的定義（如圖9所示）中可以看出，配置該選項后，將編譯mousedev.c文件，通過實際分析文件可以了解到，文件中實現(xiàn)了諸如mousedev_init（）、mousedev_exit（）等與mouse dev相關(guān)的核心函數(shù)。
　　實際分析文件中的函數(shù)如圖10所示。

　　mousedev_init（）在進行鼠標設備初始化時，需要調(diào)用input.c的函數(shù)input_register_handler（）注冊一個鼠標類型的Handler，這里的Handler是鼠標類設備的統(tǒng)一處理接口，如圖11所示。

　　同樣，mousedev_exit（）在進行鼠標設備的退出時，需要調(diào)用文件input.c的函數(shù)input_unregister_handler（）來注銷初始化時注冊的鼠標Handler。從最低層的函數(shù)調(diào)用中體現(xiàn)出了INPUT_MOUSEDEV對于INPUT編譯選項的依賴性。
　　3.2 實際演示
　　圖解軟件首頁如圖12所示。

　　對上述機制進行說明，當進行虛目錄劃分時，INPUT子系統(tǒng)被劃分到了設備驅(qū)動中，并且由于input.c和mousedev.c中實現(xiàn)的函數(shù)都是輸入輸出中通用的機制，因此二者都被劃分到了虛目錄input-common中，由于虛目錄和編譯選項的包含關(guān)系是通過文件聯(lián)系的，從而包含文件input.c和mousedev.c的編譯選項INPUT和INPUT_MOUSEDEV會出現(xiàn)在虛目錄input-common中。接下來通過圖解軟件進行展示（具體編譯選項位置：設備驅(qū)動->iput->input-common），展開后可以看到（注：以下展示過程中，為了使得所展示的模塊間關(guān)系突出，均使用過濾操作濾除了其他不相關(guān)線條）：
　　（1）INPUT_MOSUEDEV到INPUT編譯選項的依賴關(guān)系如圖13所示。

　?。?）展開編譯選項INPUT，可以看到INPUT_ MOUSEDEV對于INPUT編譯選項包含的文件drivers/input/input.c的依賴關(guān)系，如圖14所示。

　　（3）展開INPUT_MOUSEDEV編譯選項，可以看到，INPUT_MOUSEDE編譯選項包含的文件drivers/input/mousedev.c對于INPUT編譯選項包含的文件drivers/input/input.c的依賴關(guān)系，如圖15所示。

　?。?）展開文件drivers/input/mousedev.c，可以看到drivers/ input/mousedev.c包含的函數(shù)mouse_init和mouse_exit對于文件drivers/input/input.c的依賴關(guān)系，如圖16所示。

　?。?）展開文件drivers/input/input.c，可以看到drivers/input/mousedev.c包含的函數(shù)mouse_init和mouse_exit對于文件drivers/input/input.c包含的函數(shù)input_register_handler和input_unregister_handler的依賴關(guān)系，如圖17所示。

4 結(jié)論
　　本文在虛目錄的基礎(chǔ)上，圍繞著編譯選項提出了一套完整的開發(fā)交互式圖解軟件的設計方案。一方面，此交互式圖解軟件為Linux學習者提供了準確而便捷的途徑，同時也為高級用戶提供了深入探討Linux內(nèi)核的平臺；另一方面，此軟件可以與“在線源碼協(xié)同分析平臺”和社區(qū)進行集成，將Linux體系構(gòu)架的分析成果作為軟件中的編譯選項、文件以及函數(shù)和變量的注釋說明來在線展示，有著非常廣泛的應用前景。
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