Kernel 学习

Linux Kernel

C 相关知识

C语言代码经过编译以后，并没有生成最终的可执行文件（.exe 文件），而是生成了一种叫做目标文件（Object File）的中间文件（或者说临时文件）。目标文件也是二进制形式的，它和可执行文件的格式是一样的

对于 Visual C++，目标文件的后缀是.obj；对于 GCC，目标文件的后缀是.o

目标文件并不能直接执行，首先需要载入到链接器中，链接器确认main函数为初始进入点，把符号引用绑定到内存地址，把所有的目标文件集中在一起，在加上库文件，从而产生可执行文件

静态链接

函数库的一份拷贝是可执行文件的物理组成部分

静态链接的模块被链接-编辑并载入以便运行

动态链接

可执行文件只是包含了文件名，载入器在运行时寻找程序所需的函数库

动态链接的模块被链接-编辑后载入，并在运行时链接以便运行

回调函数

回调函数的好处和作用就是解耦

来自维基百科的对回调（Callback）的解析：In computer programming, a callback is any executable code that is passed as an argument to other code, which is expected to call back (execute) the argument at a given time. This execution may be immediate as in a synchronous callback, or it might happen at a later time as in an asynchronous callback. 也就是说，把一段可执行的代码像参数传递那样传给其他代码，而这段代码会在某个时刻被调用执行，这就叫做回调。如果代码立即被执行就称为同步回调，如果在之后晚点的某个时间再执行，则称之为异步回调。

来自Stack Overflow某位大神简洁明了的表述：A "callback" is any function that is called by another function which takes the first function as a parameter。 也就是说，函数 F1 调用函数 F2 的时候，函数 F1 通过参数给 函数 F2 传递了另外一个函数 F3 的指针，在函数 F2 执行的过程中，函数F2 调用了函数 F3，这个动作就叫做回调（Callback），而先被当做指针传入、后面又被回调的函数 F3 就是回调函数。

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#include<stdio.h>
#include<softwareLib.h> // 包含Library Function所在读得Software library库的头文件

int Callback() // Callback Function
{
    // TODO
    return 0;
}
int main() // Main program
{
    // TODO
    Library(Callback);
    // TODO
    return 0;
}

只要我们改变传进库函数的参数，就可以实现不同的功能，这样是很灵活的，并且丝毫不需要修改库函数的实现，这就是解耦。

带参的回调函数

示例：

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#include<stdio.h>

int Callback_1(int x) // Callback Function 1
{
    printf("Hello, this is Callback_1: x = %d ", x);
    return 0;
}

int Callback_2(int x) // Callback Function 2
{
    printf("Hello, this is Callback_2: x = %d ", x);
    return 0;
}

int Callback_3(int x) // Callback Function 3
{
    printf("Hello, this is Callback_3: x = %d ", x);
    return 0;
}

int Handle(int y, int (*Callback)(int))
{
    printf("Entering Handle Function. ");
    Callback(y);
    printf("Leaving Handle Function. ");
}

int main()
{
    int a = 2;
    int b = 4;
    int c = 6;
    printf("Entering Main Function. ");
    Handle(a, Callback_1);
    Handle(b, Callback_2);
    Handle(c, Callback_3);
    printf("Leaving Main Function. ");
    return 0;
}

可以看出是通过增加一个参数来保存回调函数的参数值。

预处理指令

常见的预处理指令：

  • #define 宏定义
  • #undef 未定义宏
  • #include 文本包含
  • #ifdef 如果宏被定义就进行编译
  • #ifndef 如果宏未被定义就进行编译
  • #endif 结束编译块的控制
  • #if 表达式非零就对代码进行编译
  • #else 作为其他预处理的剩余选项进行编译
  • #elif 这是一种#else和#if的组合选项
  • #line 改变当前的行数和文件名称
  • #error 输出一个错误信息
  • #pragma 为编译程序提供非常规的控制流信息

#include

对于#include <io.h> ，编译器从标准库路径开始搜索 对于#include "io.h"，编译器从用户的工作路径开始搜索

#error

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#ifndef UNIX
#error This software requires the UNIX OS.
#endif

#progma

#progma主要功能是为编译程序提供非常规的控制流信息

预定义标识符

为了处理一些有用的信息，预处理定义了一些预处理标识符，虽然各种编译器的预处理标识符不尽相同，但是他们都会处理下面这4种：

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__FILE__ 正在编译的文件的名字

__LINE__ 正在编译的文件的行号

__DATE__ 编译时刻的日期字符串，例如： "25 Dec 2000"

__TIME__ 编译时刻的时间字符串，例如： "12:30:55"
    
 eg. cout<<"The file is :"<<__FILE__"<<"! The lines is:"<<__LINE__<<endl;

POSIX标准

  • POSIX，Portable Operating System Interface，是UNIX系统的一个设计标准，很多类UNIX系统也在支持兼容这个标准，如Linux

  • POSIX是IEEE为要在各种UNIX操作系统上运行软件，而定义API的一系列互相关联的标准的总称

  • Linux基本上逐步实现了POSIX兼容，但并没有参加正式的POSIX认证

  • 当前的POSIX主要分为四个部分：Base Definitions、System Interfaces、Shell and Utilities和Rationale

POSIX大约有100个过程调用，其中最主要的过程调用如下被分为四类：

  • 进程管理
    • pid = fork：创建与父进程相同的子进程
    • pid = waitpid(pid, &statloc, options)：等待一个子进程终止
    • s = execve(name, argv, environp)：替换一个进程的核心映像
    • exit(status)：终止进程执行并返回状态
  • 文件管理
    • fd = open(file, how, ...)：打开一个文件供读、写或两者
    • s = close(fd)：关闭一个打开的文件
    • n = read(fd, buffer, nbytes)：把数据从一个文件读到缓冲区中
    • n = write(fd, buffer, nbytes)：把数据从缓冲区写到一个文件中
    • position = lseek(fd, offset, whence)：移动文件指针
    • s = stat(name, &buf)：取得文件的状态信息
  • 目录和文件系统管理
    • s = mkdir(name, mode)：创建一个新目录
    • s = rmdir(name)：删除一个空目录
    • s = link(name1, name2)：创建一个新目录项name2，并指向name1
    • s = unlink(name)：删去一个目录项
    • s = mount(special, name, flag)：安装一个文件系统
    • s = umount(special)：卸载一个文件系统
  • 杂项
    • s = chdir(dirname)：改变工作目录
    • s = chmod(name, mode)：修改一个文件的保护位
    • s = kill(pid, signal)：发送信号给一个进程
    • seconds = time(&seconds)：自1970年1月1日起的流逝时间

头文件

  • unistd.h
    • Linux/Unix系统内置的头文件，包含了许多系统服务的函数原型，例如read函数、write函数和getpid函数等
    • 其作用相当于windows操作系统的"windows.h"，是操作系统为用户提供的统一API接口，方便调用系统提供的一些服务

Makefile Grammar

Makefile文件里描述的是编译的时候依赖关系，宏定义，编译参数，链接生成的程序名字等等

文件包含

  • include 文件名
    • 将其他makefile文件包含进来，形成更大的makefile文件

变量定义

  • 变量名 := 变量值
    • 变量定义
  • 变量名 += 变量值1 [变量值2] [...]
    • 追加新的变量值
  • 自动变量
    • 自动变量的值会依据规则中的target 和 prerequisites自动计算其值，以$开始
    • **$@** 为规则中的target名称
    • $< 为规则中第一个prerequisite名称

内置命令

  • 字符串处理函数：subst、patsubst、strip、findstring、filter、filter-out、sort、word、wordlist、words、firstword、lastword

  • 文件名处理函数：dir、notdir、suffix、basename、addsuffix、addprefix、join、wildcard、realpath、abspath

    • dir

      • $(dir name1 [name2] […])

      • 获取name中文件对应的路径

      • E.g.

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        $(dir src/foo.c hacks) # 获取src/ ./两个路径

    • nodir

      • $(dir name1 [name2] […])

      • 获取name中除去路径的信息

      • E.g.

        1
        $(dir src/foo.c hacks) # 获取foo.c hacks两个文件信息

    • basename

      • $(basename name1 [name2] […])

      • 获取names中除去后缀信息

      • E.g.

        1
        $(basename src/foo.c src/bar.b hacks.c) # 获得信息src/foo src/bar hacks

    • addsuffix

      • $(addsuffix suffix,name1 [name2] […])

    • wildcard

      • $(wildcard pattern)

      • pattern为匹配的模式

      • E.g.

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        $(wildcard %.c) 查找当前目录下文件名以.c结尾的文件

  • 条件循环函数：if

  • 循环处理函数：foreach

    • foreach

      • $(foreach var, list, text)

      • 每循环一次var从list中按顺序取值一个

      • E.g.

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        dirs := C_DIR S_DIR
        file := $(foreach dir,$(dirs),$(wildcard $(dir)/*)) # 将C_DIR和S_DIR文件夹下面的所有文件添加到file变量中

源码编译

源码的安装一般由3个步骤组成：配置(configure)、编译(make)、安装(make install)、卸载(make uninstall)

configure

configure通常检查环境，配置编译条件，一般是一个可执行脚本，有很多选项，在待安装的源码路径下使用命令./configure –help输出详细的选项列表。一般用来生成 Makefile，为下一步的编译做准备。

  1. ./configure --prefix

    它的作用是配置安装路径，如：./configure --prefix=/usr，意思是将该软件安装在/usr下面，执行文件就会安装在/usr/bin，资源文件就会安装在/usr/share，--prefix选项还有一个好处：卸载的时候，直接删除一个文件夹(安装目录)即可；移植软件也只需拷贝整个目录到另外一个机器即可(相同的操作系统)。

  2. ./configure

    不配置--prefix选项，安装后可执行文件默认放在/usr/local/bin，库文件默认放在/usr/local/lib，配置文件默认放在/usr/local/etc，其它的资源文件放在/usr/local/share

make

make命令从Makefile中读取指令，然后进行编译。

大多数的源代码包都经过这一步进行编译(当然有些perl或python编写的软件需要调用perl或python来进行编译)。如果在make过程中出现error,你就要记下错误代码(注意不仅仅是最后一行),然后你可以向开发者提交,bugreport(一般install里有提交地址)，或者你的系统少了一些依赖库等,这些需要自己仔细研究错误代码。

make install

make install指令用来安装，从Makefile中读取指令，安装到指定的位置。安装的时候一般都需要root权限。

在make install之前有些软件需要先运行make check或make test来进行一些测试。

make uninstall

make uninstall指令用来卸载，在原先make的目录下运行，但前提是makefile文件指定过uninstall，如果没有指定则需要手动删除。

其他

当我们在使用make命令时，常常会在make后面加上其他单词，比如check，install，installcheck…这些单词都是make的参数，我们称之为“目标（targets）”。

最常见的几个target：

  • make all：编译程序、库、文档等（等同于make）
  • make install：安装已经编译好的程序。复制文件树中到文件到指定的位置
  • make unistall：卸载已经安装的程序。
  • make clean：删除由make命令产生的文件
  • make distclean：同时删除./configure和make产生的临时文件
  • make check/make test：测试刚刚编译的软件（某些程序可能不支持）
  • make installcheck：检查安装的库和程序（某些程序可能不支持）
  • make dist：重新打包成packname-version.tar.gz

GCC

几种常见的gcc参数

  • gcc -I /home/hello/include
    • 表示将/home/hello/include作为第一个寻找头文件的目录
    • 寻找顺序依次是：/home/hello/include --> /usr/include --> /usr/local/include
  • gcc -L /home/hello/lib
    • 表示将/home/hello/lib作为第一个寻找库文件的目录
    • 寻找顺序依次是：/home/hello/lib --> /usr/lib --> /usr/local/lib
  • gcc -lworld
    • 在上面的lib的路径中寻找libworld.so动态库文件，如果gcc编译选项中加入了“-static”表示寻找libworld.a静态库文件，程序链接的库名是world
  • gcc -shared hello.c -o libhello.so
    • 将hello.c编译成动态链接库
  • gcc -E hello.c -o test.i
    • 将test.c预处理输出test.i文件
  • gcc -S test.i
    • 将预处理输出文件test.i汇编成test.s文件
  • gcc -c hello.c
    • 仅执行编译操作，不进行连接操作。将hello.c编译成hello.o
  • gcc hello.c
    • 将hello.c编译成一个a.out的可执行文件
  • gcc hello.c -o hello
    • 将hello.c编译出一个名为test的可执行文件，-o用作指定输出文件的文件名
  • gcc hello.c -O2
    • 默认进行O0优化，-O1进行O1优化，-O2进行O2优化，-O3进行O3优化

常见的错误

  • xxxx.h: No such file or directory：引用出错，使用参数-I
    • -I参数可以用相对路径，比如头文件在当前目录，可以用-I.来指定
  • undefined reference to 'xxxxx'：链接错误，应该指定链接程序要用到的库，使用参数-l指定
  • /usr/bin/ld: cannot find -lxxx：表明链接程序ld在那3个库文件目录里找不到libxxx.so，使用参数-L指定
    • 大部分libxxxx.so只是一个链接，以RH9为例，比如libm.so它链接到/lib/libm.so.x，/lib/libm.so.6又链接到/lib/libm-2.3.2.so，如果没有这样的链接，还是会出错，因为ld只会找libxxxx.so，所以如果你要用到xxxx库，而只有libxxxx.so.x或者libxxxx-x.x.x.so，做一个链接就可以了ln -s libxxxx-x.x.x.so libxxxx.so

-pthread & -lpthread

一般情况下我们在链接一个（文件名为libxxx.so或libxxx.a等）库时，会使用-lxxx的方式；在Linux中要用到多线程时，需要链接pthread库，按照惯例，我们应该使用-lpthread的方式来进行链接；但很多开源代码都是使用了-pthread参数，而非使用-lpthread，这是因为：

  1. 为了可移植性：在Linux中，pthread是作为一个单独的库存在的（libpthread.so），但是在其他Unix变种中却不一定，比如在FreeBSD中是没有单独的pthread库的，因此在FreeBSD中不能使用-lpthread来链接pthread，而使用-pthread则不会出现这个问题，因为FreeBSD的编译器能正确地将-pthread展开为该系统下的依赖参数。同样的，其他不同的变种也会存在差异。为了保持较高的可移植性，我们最好使用-pthread，即使它目前不是C标准，但基本上是事实标准
  2. 添加额外的标志：在多数系统中，-pthread会被展开为-D_REENTRANT -lpthread，即除了链接pthread库外，还先定义了宏_REENTRANT。定义这个宏的目的，是为了打开系统头文件中的各种多线程支持分支。比如我们常常使用的错误码标志errno，如果没有定义_REENTRANT，则实现为一个全局变量；反之则会为每个线程所独有，从而避免线程竞争错误

目前gcc 4.5.2中已经没有了关于 -lpthread的介绍了。所以以后的多线程编译应该用-pthread，而不是-lpthread。

Linux 操作

下载文件 wget

  • wget -O-
    • -O 会把url中获取的数据统一写入 '-O' 指定的file中，这里是写到 '-' 中，即打印到标准输出，通常为控制台，进而可以通过管道传输给其他命令

添加环境变量

暂时添加

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export PATH=./:$PATH #（将当前路径加入PATH，运行执行文件的时候不必再采用./file的形式，二是直接file即可）

为当前用户永久添加环境变量

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# vim ~/.bashrc
# 追加以下文本
export PATH="新增的环境变量:$PATH"

退出 vim 后需要 source ~/.bashrc，让环境立即生效。

为所有用户永久添加某一环境变量

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# vim /etc/profile
# 追加以下文本
export PATH="新增的环境变量:$PATH"

退出 vim 后需要 source /etc/profile，让环境立即生效。

/etc/environment 下面添加

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# vim /etc/environment
# 追加环境变量

退出 vim 后需要 source /etc/environment，让环境立即生效。

OS
#C++ #OS
Kernel 学习
http://shijieq.github.io/2021/12/17/OS/Kernel/
Author
ShijieQ
Posted on
December 17, 2021
Licensed under