内核探索工具集

第二章 内核探索工具集本章包括：2.1 内核中常见的数据类型2.2 汇编2.3 汇编语言示例2.4 内联汇编2.5 特殊的C语言用法2.6 内核探索工具一览2.7 内核发言：倾听来自内核的消息2.8 其他（Miscellaneous Quirks）小结项目：Hellomod习题本章简要介绍Linux中一般的编码结构，并描述诸多与内核打交道的方法。

我们首先关注内核中常见数据类型，比如有效存储、信息检索、编码方法，以及基本汇编语言。

这将为我们在以后的章节中详细分析内核打下基础。

接下来介绍Linux如何将源代码编译、链接成可执行代码，这对理解交叉平台编码和更好地介绍GNU工具集不无益处。

之后就是一系列从Linux内核搜集信息的方法之概要了。

本章涉及的内容非常广泛，包括源代码和可执行代码的分析，以及在Linux内核中插入调试语句。

最后，本章以“大杂烩”的形式对其他遇到的Linux习俗进行了观察和评论1。

2.1 内核中常见的数据类型Linux中包含许多对象和数据结构，例如内存页面，进程和中断。

如果操作系统要高效运行，那么如何及时地从多个对象中引用其中的一个对象是要关注的主要问题。

Linux 使用链表和二叉搜索树（还有一组帮助例程）先将这些对象划分到不同的组，之后再以有效的方式在对应的组中查找单个元素。

2.1.1 链表1 我们还没有深入研究内核内在的东西。

由此看来，对于操纵整个内核代码而言，完全有必要对开发工具和基本概念进行概述。

当然，如果你是一个有经验的内核爱好者，你可以跳过这一节，直接从第3章（“进程：程序执行的主要模型”）开始。

在计算机科学中，链表（linked lists）是常见的数据类型，并贯穿整个Linux内核的始终。

在Linux内核中，链表常以循环双向链表的形式出现（参见图2.1）。

因此，给定链表中的任一结点，均可找到其下一结点和前一结点。

有关链表定义的所有代码可以查看头文件include/linux/list.h。

本节讨论链表的主要特征。

图2.1 调用宏INIT_LIST_HEAD后的链表使用宏LIST_HEAD和INIT_LIST_HEAD初始化链表：-----------------------------------------------------------------------------include/linux/list.h2728 struct list_head {29 struct list_head *next, *prev;30 };3132 #define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }3334 #define LIST_HEAD(name) \35 struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)3637 #define INIT_LIST_HEAD(ptr) do { \38 (ptr)->next = (ptr); (ptr)->prev = (ptr); \39 } while (0)-----------------------------------------------------------------------------34行：宏L IST_HEAD根据给定的名字n ame创建链表的表头37行：宏INIT_LIST_HEAD初始化表头结点中的prev指针和next指针，完成之后，name就是一个空的双向链表2。

相应地，简单栈和队列可以由函数list_add（）和list_add_tail（）来实现，工作队列的代码中有一个不错的例子：-----------------------------------------------------------------------------kernel/workqueue.c330 list_add(&wq->list, &workqueues);-----------------------------------------------------------------------------内核将wq->list加入到系统的工作队列链表——workqueues中，因此workqueues 就是一组队列。

与之类似，下列代码将work->entry加入到cwq->worklist的末尾，cwq->worklist 因而也被当作队列：2 一个空的链表被定义成：其头结点的next指针指向该链表的表头本身-----------------------------------------------------------------------------kernel/workqueue.c84 list_add_tail(&work->entry, &cwq->worklist);-----------------------------------------------------------------------------使用list_del（）可以从链表中删除元素。

list_del（）将链表元素作为参数，删除元素时，仅需修改该元素的下一结点和前一结点的指针，使之互相指向对方即可。

例如，当撤销一个工作队列时，下列代码可以从系统的工作队列链表中删除该工作队列：-----------------------------------------------------------------------------kernel/workqueue.c382 list_del(&wq->list);-----------------------------------------------------------------------------include/linux/list.h中定义了一个特别有用的宏list_for_each_entry：-----------------------------------------------------------------------------include/linux/list.h349 /**350 * list_for_each_entry - iterate over list of given type351 * @pos: the type * to use as a loop counter.352 * @head: the head for your list.353 * @member: the name of the list_struct within the struct.354 */355 #define list_for_each_entry(pos, head, member)356 for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member),357 prefetch(pos->member.next);358 &pos->member != (head);359 pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member),360 prefetch(pos->member.next))-----------------------------------------------------------------------------该函数循环遍历整个链表，对链表中的每个元素都起作用。

举个例子：CPU工作时，将从每个工作队列中唤醒一个进程：-----------------------------------------------------------------------------kernel/workqueue.c59 struct workqueue_struct {60 struct cpu_workqueue_struct cpu_wq[NR_CPUS];61 const char *name;62 struct list_head list; /* Empty if single thread */63 };...466 case CPU_ONLINE:467 /* Kick off worker threads. */468 list_for_each_entry(wq, &workqueues, list)469 wake_up_process(wq->cpu_wq[hotcpu].thread);470 break;-----------------------------------------------------------------------------该宏在workq u e u e_str u ct wq中扩展并应用l i st_head链表，以遍历头指针指向工作队列的链表。

如果这看起来有点混淆的话，请记住，我们并不需要为了遍历而知道这究竟是哪个链表中的结点。

直到当前结点的n e x t指针值等于该链表的头结点3时，我们就访问到该链表的表尾。

有关工作队列的说明参见图2.2。

图2.2 工作队列链表链表的改进使得头结点中仅有一个指向第一个元素的指针，刚好与在前一节中讨论过的带有双指针的头结点形成对比。

仅有一个指针的头结点应用于哈希表（参见第四章，“内存管理”），它没有指向链表表尾元素的指针。

由于在哈希查找中不常用到尾指针，因而这样做可以节省内存空间。

-----------------------------------------------------------------------------include/linux/list.h3 我们也可以通过list_for_each_entry_reverse()来反向遍历链表。

484 struct hlist_head {485 struct hlist_node *first;486 };488 struct hlist_node {489 struct hlist_node *next, **pprev;490 };492 #define HLIST_HEAD_INIT { .first = NULL }493 #define HLIST_HEAD(name) struct hlist_head name = { .first = NULL }-----------------------------------------------------------------------------492行：宏HLIST_HEAD_INIT将指针first置为空指针（null pointer）。