独上高楼,学习Linux的六种境界

  LINUX是全人类的选择， 

  今天如此， 

  未来几十年也不会变。 

  对于软件工程师来说， 

  不需要考虑是否需要学LINUX， 

  只需要考虑如何能学好LINUX……  

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LINUX代表未来，今天既已选择了它，未来几十年也不会变。对于今天的程序员来说，正经历着这场变化。在桌面领域，Windows仍有比较大的占有率，但我相信目前正在进行的这场革命最后一定会让Linux成为愈发普遍的系统平台。

对于从事软件开发的各位同行来说，我们当然应该走在普通用户的前头，应该根据技术发展的方向做技术储备。因此，在我看来，今天无需考虑是否需要学习Linux，只需要考虑如何能学好Linux。

十几年前就有人问过我，怎么还在做Windows的分享。由此看出，早在十几年前就有人下断言，认为Linux会逐步成为主流。我也觉得这个预测是对的。

受国学大师王国维的启发，我把学习Linux归纳成六种境界。王国维曾在《人间词话》里把人生和治学分成三种境界。对于软件设计来说，境界也是非常重要的一个概念，甚至可以说是一种方法论。后面我会把我归纳的六种境界和王国维归纳的三种境界做一个对比，我归纳的前三种境界其实都不作数，后三种境界，我会把它对应到王国维归纳的三种境界。

一提到学习，很多人就想到“我要买书”。今天关于Linux的书也是数不胜数，读书当然也是有好处的，所以我们把它归纳成第一境。买书是好事情，但是能否从书中有所领悟，就要看读书的方法和认真程度了。

除了书之外，在今天的互联网时代还有很多文章，我推荐大家去看Linux内核的官方文档。如果对Linux内核的官网文档划分三六九等，其中又有一些写得非常好的文档，例如：《Unreliable Guide To Hacking The Linux Kernel》。

这篇文档的标题起得非常低调，意思是：对于你想要征服Linux内核来说，我给你写的是一个不太可靠的指南。越是这样一种表面上看似不太可靠的说法，就越是值得我们一读。

这篇文章的作者是Rusty Russell，他是澳大利亚的一位同行，曾任职于IBM的Linux技术中心。在我看来，写作是一门非常讲究方法的技术，写相同的内容，不同人写出来的表达方式就是不一样的。Rusty写了大量的内核代码，其文章也表现出一些很独到的观点，写得都非常言简意赅。

在这篇不算很长的文档中，他写了很多理解内核的关键点，比如上面这一小段，实际上只有这么几十个单词，却写出了读内核代码需要理解的一个关键特征，即：关于返回值的约定。Linux内核是用C语言写的，C语言具有精悍的特征，讲究宁简勿繁，所以Linux内核的代码没有太多杂七杂八的错误判断，也没有太多冗余（如：保留一大堆参数，将来再用）。

Linux内核的代码尽可能精简，这一点在返回值上也有体现。关于返回值，Rusty提出了两点：

1. 返回零代表成功，返回负数代表失败。

   这也是我非常喜欢的做法，但对于一些教条的编码规范来说，返回都是无符号的，如果要代表错误，需要单独在参数里设置指针来做错误码，就很别扭。

2. 如果一个函数返回的是指针的话，没有必要单独返回一个错误码，只需把这个错误码编码到指针里。因此，内核里就有了这样几个著名的宏：

   IS_ERR()

   PTR_ERR()

   如果是一个返回指针的函数，在指针里面失败了，就同时把返回值编码进去。为了更高的可读性，就定义了这几个宏。

在Rusty的指南里，类似这样短小精悍的要点总结了十几个，文章的篇幅也很短，用一句比较流行的话来说，真的都是干货。

小结：学习内核的第一种境界就是读文字、读书、读好的文章、读内核的官方文档。

第二种境界就是读代码，Linux内核是开源的，所以大家一定要抓住机会，利用它开源的特征，读它的源代码。

如果你现在还没有下载Linux内核的源代码，那就立刻打开kernel.org，下载一份源代码。我鼓励大家下载longterm，即LTS（长期支持版本）。最新的LTS是6.12，在此之前用的比较多的LTS是5.10或者5.15，目前在产品中用的是6.1，就算是比较新的了，再往前就是5.10和4.19的版本比较流行。下载好一个LTS，放在自己的电脑上解压缩，就可以随时打开查看了。

Linux内核的源代码价值连城，是全世界人类智慧的结晶，是基于全球程序员的通力合作，才产生了这样一套代码。因此，我们可以在这套代码中学到很多东西。

首先是Linux内核目录树的定义原则——宁广勿深，宁可目录个数多一些，不要目录太深。现实中很多的软件项目做得不好，就是因为把目录定义得特别深，不利于浏览，在浏览目录时相当于是进、进、进，然后退出来，再进、进、进，退出来。

因此，关于源代码的目录组织推荐“宁广勿深”，同一级多一点不要紧，因为这样能够一目了然，一眼看过去就能知道这一层都有哪些内容。尽可能避免一级级往下扩散，譬如最上面只有两个目录，然后就分开了，每一级都往下扩展出多个目录，像这样的目录树在浏览时非常不方便，也无法一下看到全貌。

读Linux内核的源代码时，可以找一些自己感兴趣的函数去读，比如Panic函数就很有意思，因为它很生动，我们可以直接打开panic.c，读一下Panic函数的逻辑。

它是Linux内核中一个比较古老的函数，早在0.1版本就有，只不过在0.1版本的时候，Panic是一个死循环，是在后面的发展中越来越复杂。与Printf的函数原型很类似，Panic有一个固定的模板，后面可以跟不确定的参数。内核代码在很多地方都有调用，调用的时候就是根据原型来传递各种参数的。如果大家对Linux的崩溃进行分析，在Linux下发生Panic时结合源代码来看，就可以一边学习源代码，一边来理解Panic的原因。

读内核源代码还可以结合产业的发展来读，如Arch目录，它代表着CPU厂商的发展力量。

从4.4内核到5.13，再从5.13到6.16，Arch子目录的变化是很大的。

关于Arch子目录，我在庐山桃花源研习班讨论的时候，有一位格友提了一个非常好的问题：

“为什么ARM的32位和64位分成两个目录，而x86的在一个目录？”

在我看来，这个问题问得非常好，它代表着做同一件事情的不同方法或是人生的不同态度。

ARM分成两个目录体现出它的年轻、无所顾忌、敢于突破自身，它认为老的32位下面有很多问题，所以它发展到64位就创建一个新的目录，丢掉了历史包袱。这就像年轻人，倘若这份工作不想做了，索性就把它抛弃掉，学一门新的技术从头再来。

而在x86的历史上有IA-64架构，在英特尔看来，希望64位就是IA-64，没想到AMD不同意，搞出了AMD64。因为AMD宣传的口号是64位和32位无缝兼容，所以没必要搞两个目录。x86之所以重，就是因为它背着所有的历史包袱，所有东西都搅在一个目录里。

接下来的第三种境界是读“信”。信的英文是Letter，另外还有消息（Message）、电子邮件（Mail），都可以称作广义上的信。在我读大学的时候还流行过写信，下课时大家都期盼着自己能收到信。

因为信比较短，而且信有具体的场景，更具针对性，让人身临其境。对于一本厚厚的书，很多时候我们坚持不下来，不知道作者在说什么，不知道应该先读什么、后读什么。但对于一封信，通常你读的时候不会有这种感觉，因为你很快就能进到这封信的场景，立刻就能明白这封信所描述的问题，所以你就能快速理解它。因此，学习Linux内核的第三种境界就是读内核写给我们的信。

内核里面有一个著名的Printk函数，该函数是Linux内核的开发者——林纳斯所依赖的第一大调试方式。

我统计了Linux 3.12的内核，里面有六万多条Printk，今天可能已经突破十万条，也就是说，在内核中有十万个主要的Printk。同时，在这些Printk里面还有大量的变量，因为Printk可以包含变量信息，所以在不同场景下执行到这里时，都会打印出一条消息。把这些消息累积在一起，就仿佛是内核时钟记录着自己走过的路径。它此刻的心情就像朋友之间写信一样，当我们读一封信的时候，可以体会到对方的经历和写信时的心情。

读内核打印出的这些Printk消息，我们也可以感受到：

• 内核现在在做什么？

• 内核的健康状况如何？

• 内核有没有遇到障碍或是困难？

• 内核之前是不是面临着危险的境地，比如触发Panic崩溃？

内核消息是一份非常生动的内核资料，如果你在不同的系统上启动，就会发现诸多差异。例如：在x86上看到的就会有x86的一些特征，固件和设备都和ARM的不一样。因此，每当接触一个新的Linux系统，我非常喜欢用dmesg去看内核消息，每次都有所收获。

当然，内核消息不光是启动时，当你在执行一些操作的时候，内核也会打印出消息，这时打印出的消息也是很有用的。

第四种境界是写代码。前三种境界的第一个动词都是读，而第四种境界不再是读了，而是写。读，我们可以不必动手，用眼睛来读，但如果是写代码，就需要大家动手了，自己敲代码进去、编译执行，经历这样一个过程。

这里引用一下我非常崇拜的 丹尼斯·里奇 的一句话，他是C语言的发明者，同时也是UNIX操作系统最重要的两位开创者之一。他说：“学一门编程语言的唯一方法，就是用它来写程序。”

对于这句话，我是很信服的，要学好编程，就要写代码。同理，要学习内核，也要写代码，所以我套用丹尼斯·里奇的话来描述一下学习内核：“学习内核的一种捷径就是写代码运行到内核中。”

一种方法是修改内核编译，但这种方法需要的功力和时间都比较长。

另一种方法是写驱动，因为驱动程序也运行在内核空间。由于驱动是模块化的，所以我们可以先写一个小驱动跑在内核空间，就可以通过它来感受内核编程的不同，探索如何与内核进行交互、如何写内核代码，体会内核的“为君难”——内核虽然权力大，但也有很多为难之处。

在Windows环境下，要想把自己的代码运行在内核空间，已经有所限制，如果要把代码运行到内核空间，就必须要对代码签名。微软从Windows Vista开始，要求内核空间的代码必须签名，这给学习带来很大的不便。如果你要搞测试签名，也需要启用“禁止签名强制”。因此，我建议大家转向Linux。总体来说，Windows环境越来越不适合开发者，有太多的规矩，而太过循规蹈矩的系统缺少生机与活力，所以我鼓励大家像我一样转向Linux，在Linux环境下可以很轻松地加载驱动，不需要签名。当然，如果你想搭建构建驱动的环境，是有点难度的，需要做些准备工作，比如安装内核的头文件。

我们这里特别举一下幽兰的例子，幽兰是格蠹科技推出的一款专为程序员打造的笔记本，大家拿到手就可以构建内核驱动。对于有幽兰的各位格友，你可以立刻试一试，打开一个控制台窗口，cd gelabs/llaolao2，然后一条make命令就可以构建了。试成功之后，你可以再做一些修改，修改之后再编译、加载，不断重复这个过程，你就会对内核越来越熟悉。

https://www.bilibili.com/video/BV1Gm4y1e7Gj/

这时候，我们再回顾一下王国维归纳的三种境界，他归纳的第一境是“昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路”。

对于很多接触Linux的人根本没有这种感觉，在我看来，只有你亲自写一些内核代码之后，你才会有这种感觉，体会到内核的难处和内核代码的独特之处。进而知道内核开发所面临的真正挑战——巨大的代码量、各方面的巨大负担，所以要把内核做完美是很难的。

第五种境界就是要上调试器进行内核调试。当你真正写了内核代码之后，你就会对内核越来越了解，就会发现要学的东西还有很多，也就是“独上高楼，望尽天涯路”，到处都是茫茫一片，你很想去探索，但是时间有限，这时候就要提高效率了。

回想起这么多年我在技术方面的坚持探索，给我最大帮助的其实就是调试器，所以我们每学一门新技术，都是想办法上调试器。最近几年，我转向ARM + Linux，也开发了好几种调试器，比如硬件方面有挥码枪这样的调试器，软件方面有Nano Code，在我出差的时候，经常把这些东西都带着。

上图是我在旅途中拍摄的，照片中有两个挥码枪、一个GDK3（用于调试ARM的M核）、一个GDK8（用于调试ARM的A核，里面也有Linux）。

这张截图是在wifi的发包函数设置断点，当该断点命中的时候，大家可以看到这是来自用户空间的一个调用，它一步步进到socket层，进入网络协议栈，再进到电路层，给设备驱动，设备驱动最后就发给物理层做物理传输了。

很多人都对网络感兴趣，无论是研究安全，还是做通信，都对网络感兴趣。如何生动地学习网络呢？调试器绝对是一种很高效的方法。为什么我们把读代码只看作是第二种境界？因为读代码很多时候都读不到真正要用的代码，读到的都是死代码。只有在调试的时候，读到的才是活的代码，因为这个代码是真正在跑的，是你在设断点断下来后切切实实看到的。

通过内核调试，我们能够提高自己理解内核的效率，设置一个断点，断下来后，立刻就能看出很多问题。

当然，我们也可以用这种方式来看调度。

Child-SP          RetAddr           Call Siteffffff80`0f08bb00 ffffff80`090a060c lk!__switch_to+0x8 [arch/arm64/kernel/process.c @ 544]ffffff80`0f08bb90 ffffff80`090a10d8 lk!__schedule+0x2f4 [kernel/sched/core.c @ 3437]ffffff80`0f08bbb0 ffffff80`08082fa0 lk!preempt_schedule_irq+0x38 [./arch/arm64/include/asm/irqflags.h @ 62]ffffff80`0f08bbb0 00000000`9200004f lk!el1_preempt+0x8 [arch/arm64/kernel/entry.S @ 665]

dt prev -y commLocal var @ 0 Type task_struct*   +0x768 comm : [16]char[]  "Chrome_HistoryT"

dt next -y commLocal var @ 0 Type task_struct*   +0x768 comm : [16]char[]  "migration/0"

这是一个抢先式调度的执行过程，是真正在做CPU上下文的切换，从一个线程切到另一个线程。

Child-SP          RetAddr           Call Siteffffff80`0a313d30 ffffff80`090a060c lk!cpu_switch_to [arch/arm64/kernel/entry.S @ 1067]ffffff80`0a313de0 ffffff80`090a0c80 lk!__schedule+0x2f4 [kernel/sched/core.c @ 3437]ffffff80`0a313e00 ffffff80`080e5f00 lk!schedule+0x38 [kernel/sched/core.c @ 4171]ffffff80`0a313e60 ffffff80`080e147c lk!smpboot_thread_fn+0x258 [kernel/smpboot.c @ 160]ffffff80`0a313ec0 ffffff80`08085db0 lk!kthread+0x12c [kernel/kthread.c @ 260]ffffff80`0a313ec0 00000000`00000000 lk!ret_from_fork+0x10 [arch/arm64/kernel/entry.S @ 1104]

切线程又分成很多种场景，有的时候是主动让出执行权，可以主动调用schedule，把执行权交给调度器，由调度器去执行切换。

Child-SP          RetAddr           Call Siteffffff80`0d8abbb0 ffffff80`090a060c lk!cpu_switch_to [arch/arm64/kernel/entry.S @ 1067]ffffff80`0d8abc60 ffffff80`090a0c80 lk!__schedule+0x2f4 [kernel/sched/core.c @ 3437]ffffff80`0d8abc80 ffffff80`090a47b8 lk!schedule+0x38 [kernel/sched/core.c @ 4171]ffffff80`0d8abd40 ffffff80`090a30e8 lk!schedule_timeout+0x1e0 [kernel/time/timer.c @ 1795]ffffff80`0d8abdc0 ffffff80`0811a4cc lk!__down_interruptible+0xa0 [kernel/locking/semaphore.c @ 221]ffffff80`0d8abdf0 ffffff80`011c1134 lk!down_interruptible+0x54 [kernel/locking/semaphore.c @ 85]ffffff80`0d8abe60 ffffff80`080e147c bcmdhd!dhd_rxf_thread+0x9c [drivers/net/wireless/rockchip_wlan/rkwifi/bcmdhd/dhd_linux.c @ 6614]ffffff80`0d8abec0 ffffff80`08085db0 lk!kthread+0x12c [kernel/kthread.c @ 260]ffffff80`0d8abec0 00000000`00000000 lk!ret_from_fork+0x10 [arch/arm64/kernel/entry.S @ 1104]

有的时候是进入等待。比如说，这里是在等待信号量，在信号量调用down函数时，它进入等待，触发线程切换。

Child-SP          RetAddr           Call Siteffffff80`0a323e70 ffffff80`090a060c lk!cpu_switch_to [arch/arm64/kernel/entry.S @ 1067]ffffff80`0a323f20 ffffff80`090a104c lk!__schedule+0x2f4 [kernel/sched/core.c @ 3437]ffffff80`0a323f40 ffffff80`080f4f50 lk!schedule_idle+0x24 [./include/asm-generic/bitops/non-atomic.h @ 106]ffffff80`0a323fb0 ffffff80`080f5224 lk!do_idle+0x168 [kernel/sched/idle.c @ 292]ffffff80`0a323fd0 ffffff80`08097c38 lk!cpu_startup_entry+0x24 [kernel/sched/idle.c @ 370]ffffff80`0a324000 00000000`00000000 lk!secondary_start_kernel+0x150 [arch/arm64/kernel/smp.c @ 255]

还有一种情况是从空闲线程切到一个新线程。

如果大家对内核调试的方法感兴趣，推荐大家可以用挥码枪加幽兰代码本，这是性价比非常高的一种内核调试方案。如果大家想自己搭建内核调试的环境，无论是接串口，还是重新编译内核用网络，都比较花时间。如果选择“挥码枪加幽兰代码本”，那么你拿到手立刻就可以连上了，五分钟之内就把内核断下来，设好符号就可以进行源代码级别的调试。

内核调试，我把它看作是学习Linux内核的第五种境界，对应到王国维所说的第二境——“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”。当你达到这种境界，你就把学习内核当成是一种乐趣，当成是一种自然而然的事情。

最后一种境界很特别，它有几种称呼，我现在写到文字上的是一种比较雅的称呼——相伴。夫妻之间相伴到老，相伴是很高的一种境界，我们和Linux内核之间的最高境界也是相伴。

这种境界其实来源于NT内核，在NT内核开发的最后阶段，开发团队就开始使用这个开发中的内核作为自己的工作机。当然，最初是派了几个高手来做这件事，他们带头把自己的机器换成开发中的NT内核，然后在上面工作，立刻就发现了大量的Bug。作为软件工程师，就把你实际开发的系统作为你所使用的系统，体验自己写的代码究竟如何，感受自己研发的产品到底是好是坏，烂有多烂，好有多好。如果进入这种境界，就很不一般了。

目前，对于整个Linux系统来说，它的可用性在某些方面仍有所欠缺，所以很多人在桌面级还是更多地依赖Windows或者Mac。在我看来，如果大家真的想学好Linux，决定致力于Linux内核，为什么你不直接把自己的工作机切到Linux上去呢？我今天正在做这件事，所以我最近一直背着两台电脑，虽然重了一点，但其实也还好，上面这台是Linux的，它很薄，分量也轻很多，因为里面是无风扇设计的。

这个过程需要有所付出，但这个付出的过程恰恰就是我们学习的过程。在这个过程中，我们能更好地来感受Linux内核，能感受到Linux系统的一些不足，这对学习来说恰恰是好处和收益。

对我来说，现在很多时候是在开发Linux上的一些代码，我正在努力地把我的开发环境全面切到Linux上去，也是鼓励大家跟我一起做。有的人说：“我不要做小白鼠，不要这么干，我就等你们都体验好了，然后我再切过去。”这不是开发者的心态，而是普通用户的心态。作为程序员就是要始终站在技术的前沿，学习新的技术，遇到各种问题加以解决。当然我这样说并不是没有问题硬要找问题，而是你要有一个真实的环境，这样你所遇到的问题就都是很有代表性的、很有意义和价值的，代表着潮流，然后你再钻研到这些问题里去，就是始终跟随着这个潮流。

进入到这种状态，我认为只要坚持就可以达到王国维所归纳的第三种境界——“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”。一直坚持，整日和Linux环境朝夕相处、日夜相伴，今天学一点，明天学一点，你敲的每一条命令、执行的每一次操作、点击的每一次鼠标按键，都是在感受Linux，都是在学习Linux，都是在和内核对话。这时候，你的进步是一点一滴的，是在无形中向上前进。像这样每一天的朝夕相伴，我相信有一天你蓦然回首，就会发现你的水平不一样了，很自然地就能理解内核的各种机制。

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