Linux 内核学习笔记系列，内核开发部分，简单介绍 Linux 内核体系结构和可移植性相关的内容。

体系结构相关的源码目录

为了便于扩展到新的体系结构，内核严格隔离了与体系结构相关和无关的代码。

在较早的版本中，与体系结构 T 相关的 C 和汇编源码位于 arch/T 目录下，头文件则位于 include/asm-T。后来，体系结构相关的头文件挪到了 arch/T/include/asm 下。

本系列学习笔记主要基于 Linux 2.6.34 版本，且仅针对 x86 体系结构，所以对于体系结构相关的代码，我只关心 arch/x86 目录。

字长

字长是指机器一次能完成处理的数据。处理器的通用寄存器的大小应该和它的字长是一致的。

对于 x86 处理器，有 32 位（i386）和 64 位（x86-64）的版本，出于历史原因和某些主观的命名习惯，我们根据长度来划分数据，长度的单位是位（bit）：

名称长度
字节（byte）8
字（word）16
双字（double word）32
四字（quad word）64

在 Linux 中，一个字通常代表处理器的字长。对于 32 位的 i386，字长是 32 位（4 字节）；对于 64 位的 x86-64，字长是 64 位（8 字节）。

具体“字”的含义，要根据上下文来确定。

数据类型

C 标准并未明确指定数据类型的数据长度，在不同的平台下，这些数据类型的长度可能不同。我不准备在这里讨论 C 标准的具体内容。

把内核中的数据类型归为以下几类：

  • 不透明类型：如进程标识符 pid_t，通常情况下直接使用即可，可以把这些类型视为黑盒。
  • 指定长度的类型：如 flag 参数应当使用 unsigned long（这样能确保该变量在 32 位和 64 位情况下长度一样），可以理解为人为的约定。
  • 长度明确的类型：如 s8 代表有符号 8 位整数，u16 代表 16 位无符号整数，等等。

特别地，对于 char 类型，默认是带符号的还是不带符号的，在不同环境下可能不同。如果需要指明，可以显示声明为 signed char 或 unsigned char。否则使用的时候应该多加小心。

数据对齐

数据对齐通常指把数据放置到其字节长度可以整除的字节地址，即对于一个大小为 2^n 字节的数据类型，它的地址最低有效位的后 n 位应当为 0。

现在的编译器会自动完成数据对齐的工作，对于普通程序员，小心使用指针强制类型转换后引起的对齐问题即可，比如：

1
2
3

char wolf[] = "Like a wolf";
char *p = &wolf[1];
unsigned long l = *(unsigned long *)p;

这里 l 试图解引用一个非对齐的数据。

对于复合数据类型，它们的对齐标准如下：

  • 数组：按基本数据类型进行对齐，这样所有的元素都能对齐。
  • 联合体：按包含的最长的数据类型进行对齐。
  • 结构体：结构体中每个元素都正确对齐。

特别地，对于结构体，为了使每个元素都正确对齐，有时需要填补，比如：

1
2
3
4
5
6

struct animal {
    char dog;           /* 1字节 */
    unsigned long cat;  /* 4字节 */
    unsigned short pig; /* 2字节 */
    char fox;           /* 1字节 */
};

该结构体被填补后相当于下面的结构体：

1
2
3
4
5
6
7
8

struct animal {
    char dog;           /* 1字节 */
    u8 __pad0[3];       /* 3字节 */
    unsigned long cat;  /* 4字节 */
    unsigned short pig; /* 2字节 */
    char fox;           /* 1字节 */
    u8 __pad1;          /* 1字节 */
};

字节顺序

字节顺序分高位优先（大端机，big-endian）和低位优先（小端机，little-endian）。

高位优先即数据的低位到高位对应内存地址的高位到低位，低位优先即数据的低位到高位对应内存地址的低位到高位。

以存储数据 0x1 为例，高位优先和低位优先的存储方式如下：

1
2
3
4
5
6

二进制位：0 1 2 3
二进制值：0 0 0 1

内存地址：0 1 2 3
高位优先：0 0 0 1
低位优先：1 0 0 0

不同处理器的字节顺序可能不同，对于 x86 体系结构，使用的都是低位优先的字节顺序。

其他体系结构相关的内容

还有很多内容和体系结构相关，包括时间、页、内存分布、系统调用、处理器排序等等，这些内容不再展开，其中部分内容会在后续的学习笔记涉及。