邢森： 浅析Linux kernel的阅读方法

作者简介： 邢森，Java、Python码农，痴迷于Linux Kernel。自媒体:“写程序的康德”。现就职于上海电信信息网络部任职架构师，主要负责网络相关产品的研发工作。

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l   带着课题

分析任何代码都要都要带着课题，如果只是走马观花很难有具体的收获。“课题”可大、可小，大课题有大收获阅读分析时间也比较长。比如“搞清楚Linux是如何收发数据的”，“Linux是如何分配内存的”，这些都是比较大的题目；再比如“IP数据包如何被重组的”这就是比较具体的问题，属于“小课题”。

“大课题”一般是由多个彼此关联的“小课题”组成的，所以最终我们还是会去在内核中挨个寻找某个具体问题的具体答案，然后再回头来看整个问题。“小课题”是指某个具体问题，我们通常需要先找到一个切入点，然后顺藤摸瓜理出一个头绪来。

源代码的分析工具比较简单，一个编辑器（语法加亮）一个快捷的查找工具（比如grep）就可以开始干活了。通过查找工具找到切入点，然后分析代码的逻辑。如果代码量比较大，一般我们会选择一个IDE工具或者专门的代码阅读工具（Source Insight、Understand）来分析、阅读代码。

l   观察数据流向

成熟的代码通常都很复杂，考虑的事情也比较全面，所以一个函数可能有几十行代码。阅读代码的时候我们要把握数据流向，比如我们知道函数的返回值是我们关注的数据，那么我们观察它在哪里执行了赋值语句，这样就可以理出个主脉络来。

l   分析总结

我喜欢用两幅图来表示分析代码之后的收获，函数调用关系图、数据结构图。调用关系可以从宏观上告诉我们整个过程分成哪些步骤，步骤里面分为哪些子步骤；数据结构辅助说明了这些过程涉及到的数据操作。

l   分析实战

代码分析

“万物皆文件（everything is a file）”，Unix/Linux的一条著名的设计哲学。在Unix/Linux中很多硬件设备、进程运行信息、系统状态都被映射成文件系统中的某个文件，这种设计极大的简化了系统模型。

在Linux中每个文件都由“struct file”和“一个int类型的变量——file descriptor（文件描述符）”组成。下面通过分析Kernel代码来剖析file descriptor的分配过程。

我们是要探究file descriptor的分配过程，问题非常明确，切入点也比较好找——什么时候执行fd的分配？答案是执行`open`函数的时候。所以我们通过查找工具定位到`open`系统调用的代码(fs/open.c)

Linux的代码非常清晰，open函数实际上调用的是do_sys_open。“打开文件”的过程分为：

1．        分配文件描述符（fd）；

2．        分配struct file；

3．        绑定fd和structfile。

Linux中资源分配的对象是进程，用struct task表示进程的数据结构。“文件句柄”（内核中指向某个打开文件的指针数据结构是struct file）属于资源申请，所以按道理说Linux的struct task中应该定义一个struct file类型的数组，文件描述符则表示struct file数组中的索引。

实际上Linux2.1之前就是这么干的，但是这种实现方式有一个很明显的缺陷——files的大小是受限的，2.1之前它是一个固定的值——256。如果要突破限制那就不能使用“固定大小数组”的数字定义files，所以在后续的版本中就把“文件句柄”拆分成立两种内核资源——文件描述符（fd）、文件对象（struct file）。（后面会放上我们分析后的数据结构图——也是Linux正在用的数据结构）

回到我们的代码，分配文件描述符的代码是get_unused_fd_flags，我们跟踪下去发现它其实是__alloc_fd函数的封装，直接看__alloc_fd。

直接读这么一大段代码很难理清楚头绪，这里有个技巧推荐给大家。直接看它的返回值，它的返回值就是文件描述符，所以我们只要注意在哪里给它赋值就能理出关键头绪。

__alloc_fd函数的start，end参数是指文件描述符的**可用**范围，get_unused_fd_flags在传递start参数的时候是0，所以不设置下标范围。Linux用一个位图记录fd的分配状态，需要注意的是next_fd并不能直接作为fd返回，它仅仅是标识“未使用的fd中最小值”，这是为了防止位图中“空隙”（位图中1、2、4、5、6都是空闲的，3已经被使用了，我们搜索未使用fd的时候很显然应该从1开始搜索。所以一定要保存这个“下标”）。

fdtable是内核中用来表示文件描述符表格的数据结构，表示fd分配状态的位图就是它的成员变量（full_fds_bits），max_fds记录的是当前表格可用的最大文件描述符，这个值是可以通过expand_files增加的（如果你打开`expand_files`会发现fd最大值是不能超过`sysctl_nr_open`的，这个就是fs.nr_open的值）。

上面的代码只是寻找可用fd而没有修改位图，所以代码最后通过__set_open_fd来修改位图。

l   总结经验

“一图胜千言”，代码分析是一件非常难“表达出来”的事情，如果是像上面的文字估计没有多少人会有兴趣看。所以我一般分析完代码后画两张图，一张表示数据结构关系的图，一张表示函数调用关系的图。

do_sys_open所做的都是为了最后执行fd_install（成功打开文件），而fd_install可以被简化为一个简单的赋值语句（图中的那句赋值语句）。所以前面的get_unused_fd_flags其实是为了返回合适的fd、do_filp_open则是为struct file分配一块内存空间。

结合数据结构图来看

get_unused_fd_flags的主要操作对象其实就是struct files_struct。

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