从Linux内核学软件设计和开发

Linux内核就像是一个大宝藏。通过开采它，你可以收获很多很多。不仅仅是某一方面的具体知识点，还有它所蕴含的很多设计思想。这些东西，也构成了Linux的设计哲学。

今天，我们就简单来总结一些，希望能够对大家有所启发。当然，内核所包含的远不止这些，大家可以独自思考，深度挖掘。本文就权当是抛砖引玉了。

学内核有三个级别：最顶级的是思想，其次是设计，最后是实现。思想指导设计，设计孵化实现。实现是最显而易见的，设计就隐藏在实现背后，不那么容易被发现。而思想，则隐匿的更靠后，更难把控。相反，如果能够掌握了，则威力也是最大的。

我们很多时候，直接接触或者学习的是实现层面的东西。比如队列是怎么实现的，锁是怎么实现的，定时器的实现，某个驱动的实现等等。再大一点的，就比如内存管理器的实现，进程的实现，进程调度的实现，中断系统的实现，甚至到某个文件系统的实现。

以上都是实现层面的内容。当然，学习这些东西的时候，也会接触到设计层面的意图，但是，可能不够系统。实现层面，可以最直接的告诉你怎么做的问题，但是，为什么这么做，就需要上升到系统设计层面。这需要了解内核的全局和子系统，并对相关系统的实现加以提炼总结。下面，我们简略叙述一些。

从全局来看，内核的结构是层次化设计。我们知道，内核划分了用户空间和内核空间，中间通过系统调用进行通信。从内部来看，内核中又主要包括进程管理，内存管理，驱动，文件系统等大的子系统设计。每个子系统又有自己的设计。比如进程管理就有进程的周期管理（创建、运行、休眠、销毁），调度管理（各种不同的调度器设计，有O（1）调度器，有完全公平调度器，有实时调度器等））。内存管理就有伙伴系统，块分配器等。驱动又分了字符设备，块设备，网络设备等。文件系统下又包括虚拟文件系统，再下面又具体包括各具特色的文件系统，比如针对内存设备的，块设备的，针对网络设备的，针对容量受限设备的，这其中还有读写特性等相关的考虑等等。

设计是怎么来的，自然是思想指导的。俗话说，理论指导实践，这里我们将设计背后的指导原则，作为思想层面来讨论。对于内核来讲，上面所述的设计里就已经包含了一些思想的东西。前面提了，思想层面的内容大多是隐含在设计里面的，不一定那么明显的看出来，需要自己感受和总结。这里举几个例子，全当是抛砖引玉了。

第一个，就是上面设计里已经提到的分层原则。其实，分层更多的是讲横向的。分层的目的主要是划分职责，通过将揉在一起的东西分层切开，弱化实践中带来的复杂度。这个思想在计算机里是广泛存在的。关于那句有名的加个层的说法我们就不再过多着墨了。可能这块大家更多的了解是网络协议的设计实现。这是典型的分层思想，每一层处理的内容都相对聚焦。操作系统的分层也是一个道理。

其次，是分模块。上面设计里面也提到了。如果将软件设计看做一个平面的话，那么分模块就是从纵向来划分了。分模块主要是从范围的角度来看。高内聚低耦合就是典型的分模块原则。一个模块只做相互关联的一些事，内核里就划分了进程、内存、驱动、文件系统等多个模块，每个模块里又有细分模块。其实，我们生活中的很多方面也是这样做的。建筑、汽车、甚至我们人体自身，也是划分为各个子系统的。

将上面两个方面结合起来，就是我们常看到的软件架构图的样子了。既有层又有块。

除了上述分层分模块外，还有一种类似的结构，就是分级结构。生活中的分级组织就是这样的典型例子。级就是层，组织就是模块。只不过这种方式的差异在于，纵向的模块，从上到下垂直方向上，是有内在关联的。

这里要提的第三个，就是抽象。基于这一点，我们的软件设计演化到了面向对象思想，并提出了抽象类的设计。

生活中各种概念的提出就是抽象的过程。内核里也是大量应用了这种设计思想。比如虚拟文件系统的设计，就是抽象的典型代表（更绝的是，Unix类操作系统践行了一切皆文件的抽象）。驱动也是这样的代表。将驱动子系统的共性抽象为设备、总线、驱动、类别等概念。除此，内核许多小模块也是大量应用了抽象的方法。典型的表现就是函数指针的使用。定义一个结构体，包含数据和函数指针，模拟一个类的设计，然后不同的对象，实现具体的接口，这样就隔离了变化。接口这个词的普遍引用，也是这种思想大量实践的表现。我们常见的各种充电接口就是这样的活生生的例子。尤其是USB，可以说是高度抽象。信息传输不就是需要一个波形吗！

如上图中的红色定义，就包含了不同具体红色。

内核与应用的系统调用也是接口应用的很好例子。接口或者抽象，其意图就是隔离变化。如果你仔细琢磨设计模式，就会发现，无非是将抽象类变为各种不同花样来应用。

第四个是机制与策略分离。这个可能大家了解不多。它跟抽象也能说在一起。机制更多的是强调通用的过程，策略则是基于机制玩的不同花样。举个例子，内核网络模块里有个网络包过滤机制，叫做netfilter，它就是一个典型的机制与策略分离的例子。我们知道，除了内核里的过滤器，还要有应用层的iptable工具来配合。过滤器提供机制，就是可以在网络包通路的各个点上可以对包进行处理。这个机制设计好后，基本都是不变的。而具体的过滤规则，就是满足什么条件去过滤，否则放行。这是应用层配置工具的职责。每个人的需求不一样，配置自然也就不同。这样，机制不用变，策略在机制的约束下应对不同的需求。

如上图，下面为通用机制表示，上面为不同的策略配置。

先简单总结这么多。其实，仔细琢磨，就会发现，这些思想虽有各自的特点，但是本质是相通的。也都是与我们生活中许多事情的做法相通的。

前面一二条主要目标是分而治之，将复杂问题简单化，便于人类分析处理。后面两条主要是提炼总结，发现现象背后的本质，以不变应万变。

这只是从大的方面举了几个例子。内核里的宝藏远远不止这些。在一些相对小的子系统，也有不错的思想原则值得借鉴。像是调度模块的公平思想的应用，负载计算中衰减思想的应用等。大家可以多多总结学习!