LFD420 Linux Kernel Internals und Development

Ziele

Lernen Sie, für den Linux Kernel zu entwickeln. (Bekommen Sie ein solides Verständnis des Linux-Kernels.) In diesem Seminar werden Sie die Linux-Architektur kennenlernen, sowie die grundlegenden Methoden, um auf dem Kernel zu entwickeln, und wie man effizient mit der Linux Entwickler-Community arbeitet. Wenn Sie daran interessiert sind, den Linux-Kernel kennenzulernen, so ist dies ganz sicher der optimale Kurs zu diesem Thema.

Die Lernziele im Überblick:

• KennenlernenLinux Architektur
• Funktionsweise des Kernel Algorithmus
• Hardware und Speicher Management
• Techniken und Debugging der Modularisierung
• Wie man von der Kernel Developer Community profitiert
• Und vieles mehr.

Die vermittelten Schulungsinhalte gelten für alle großen Linux-Distributionen.

Zielgruppe

• Entwickler

Voraussetzungen

• Sicherer Umgang mit den grundlegenden Linux-Dienstprogrammen und Texteditoren
• Solide Kenntnisse in der Programmiersprache C

Agenda

Kernel Architektur I

• UNIX und Linux
• Monolithische und Mikro-Kernel
• Objekt-orientierte Methoden
• Kernel-Hauptaufgaben
• Benutzerbereich und Kernelbereich
• Kernel-Modus Linux

Vorschau auf die Kernelprogrammierung

• Error Numbers and Getting Kernel Output
• Task Structure
• Memory Allocation
• Transferring Data between User and Kernel Spaces
• Linked Lists
• String to Number Conversions
• Jiffies

Module

• Module kompilieren
• Module vs. Built-in
• Modul-Dienstprogramme
• Automatisches Loading/Unloading von Modulen
• Anzahl der Modulverwendung
• Modulstruktur
• Modul-Lizenzierung
• Exportieren von Symbols
• Auflösen von Symbols

Kernel Architektur II

• Prozesse, Threads und Tasks
• Prozess-Kontext
• Kernel-Präemption
• Real Time Preemption Patch
• Dynamisches Kernel-Patching
• Laufzeit-Alternativen
• Portierung auf eine neue Plattform

Kernel-Initialisierung

• Überblick über die Systeminitialisierung
• System-Boot
• Das U-Boot für Embedded Systeme

Kernel-Konfiguration und Zusammenstellung

• Installieren und Layouten des Kernel-Source
• Kernel Browsers
• Kernel-Konfigurationsdateien
• Kernel-Erstellung und Make-Dateien
• initrd und initramfs

System Calls

• Was sind Systemaufrufe?
• Verfügbare Systemaufrufe
• Implementierung von Systemaufrufen
• Einfügen eines neuen Systemaufrufs

Kernel-Stil und generelle Überlegungen

• Kodierungsstil
• kernel-doc ** optional
• Verwendung generischer Kernel-Routinen und -Methoden
• Erstellung eines Kernel-Patches
• sparse
• Verwendung von likely() und unlikely()
• Portierbare Codes schreiben, CPU, 32/64-Bit, EndiannessSchreiben für SMP
• Schreiben für Systeme mit hohem Speicherbedarf
• Enegie-Management
• Die Sicherheit im Auge behalten
• Mischen von User- und Kernel-Space-Headern

Race Conditions und Synchronisationsmethoden

• Parallelität und Synchronisationsmethoden
• Atomare Vorgänge
• Bit-Vorgänge
• Spinsperren
• Seqlocks
• Deaktivierung von Preemption
• Mutexes
• Semaphoren
• Vervollständigungsfunktionen
• Lese-Kopie-Aktualisierung (RCU)
• Referenz-Zählungen

SMP und Threads

• SMP-Kernel und Module
• Prozessor-Affinität
• CPUSETS
• SMP-Algorithmen - Scheduling, Locking, etc.
• Pro-CPU-Variablen

Prozesse

• Was sind Prozesse?
• Das Task_Struktur
• Benutzerprozesse und Threads erzeugen
• Erzeugen von Kernel-Threads
• Prozesse und Threads zerstören
• Ausführung von User-Space-Prozessen aus dem Kernel heraus

Prozesslimits und Potential

• Prozess-Grenzwerte
• Kapazitäten

Monitoring und Fehlersuche

• Debuginfo-Packages
• Tracing und Profiling
• sysctl
• SysRq-Schlüssel
• oops-Meldungen
• Kernel-Debugger
• debugfs

Planung

• Hauptaufgaben der Terminierung
• SMP
• Scheduling-Prioritäten
• Zeitsteuerung von Systemaufrufen
• Die Funktion 2.4 schedule()O(1)-Scheduler
• Zeiterfassung und Prioritäten
• Lastenausgleich
• Prioritäts-Inversion und Prioritäts-Vererbung **
• CFS-Zeitplaner
• Berechnung von Prioritäten und fairen Zeiten
• Scheduler-Klassen
• CFS-Scheduler-Details

Speicheradressierung

• Virtuelle Speicherverwaltung
• Systeme mit und ohne MMU und die TLB
• Speicher-Adressen
• Hoch und Tiefspeicher
• Speicherebenen
• spezielle Geräteknoten
• NUMA
• Auslagerung
• Seiten-Tabellen
• Seitenstruktur
• Kernel Samepage Merging (KSM)

Huge Pages

• Unterstützung umfangreicher Seiten
• libhugetlbfs
• Transparente Seiten (Huge Pages)

Speicherverteilung

• Anforderung und Freigabe von Seiten
• Buddy System
• Slabs und Cache-Allokationen
• Speicher-Pools
• kmalloc()
• vmalloc()
• Frühzeitige Zuweisungen und bootmem()
• Speicher-Defragmentierung

Prozessadressraum

• Zuordnung von Anwenderspeicher und Adressraum
• Seiten sperren
• Speicherbeschreibungen und -regionen
• Zugangsrechte
• Zuweisung und Freigabe von Speicherregionen
• Seitenfehler

Disk Caches und Swapping

• Caches
• Basiswissen zum Seiten-Cache
• Was ist Swapping?
• Auslagerung von Bereichen
• Ein- und Auslagerung von Seiten
• Steuerung der Swappiness
• Der Swap-Cache
• Umprogrammieren
• OOM-Killer

Gerätetreiber

• Gerätetypen
• Geräteknoten
• Treiber für Zeichen

Signals

• Verfügbare Signals
• Systemaufruf für Signals
• Sigaction
• Signals und Threads
• Die Installation von Signal Handlers durch den Kernel
• Wie der Kernel Signals sendet
• Wie der Kernel Signal Handlers aufruft