Linux-0.11 源码解析与思考题
拟题 杨力祥老师
初稿 李效宇同学
整理&终稿 李辰剑 2022-12-31
写在前面
写作背景
这篇笔记来源于这学期的操作系统课程。课程上，杨老师带同学们一起手撕早期版本的 Linux 源代码，非常刺激。
杨老师在期末前出了很多思考题，供同学们参考、复习。李效宇同学则花了不少功夫，结合上课内容和网上资料，整理了所有思考题的答案，分享给同学。
李效宇同学的原文链接：https://lixiexie.notion.site/dbfc366cee8f4931bfa33d414b1132f9
我看到了这篇长文之后觉得内容很棒，便决定转载到自己的博客上。于是我对内容进行了全面的修订，最终得到了这篇文章。
修订内容
本以为只是修改一些错别字和优化排版，没有想到最后却成为了大工程，花费了我小半个学期。对文本的修订和优化包括：
- 修订了一些错别字、并对文字进行了润色，让文字更书面化。
- 对代码使用了程序环境进行排版，优化了总体排版。
- 修改了一些错误答案，例如“25. 为什么
static inline _syscall0(type,name)中需要加上关键字inline？”——实际原因不是优化性能，而是与写时复制 (CoW, Copy on Write) 机制有关。 - 重写/扩充了一些问题的答案。
- 对思考题顺序进行了调整，让问题之间的逻辑更紧密连贯。想按寻找某道特定思考题答案的同学，可以参考文末附录：「思考题调整前后编号对照表」。
- 将许多图片替换为了高清版本，增加了一些示意图。
- 添加了参考文献。
阅读指南
文中有许多内容是对 Linux-0.11 源代码的解析，还有一部分是对 Intel IA-32 体系结构的分析。对于没有阅读过 Linux 源代码的读者来说可能有些难懂。我建议读者的阅读方法有如下几种：
- 对计算机感兴趣但不熟悉 Linux 源码也不愿意花费太多时间的读者，可以不求甚解地阅读。文中有一些 IA-32 体系结构相关的内容，也许能拓宽你的知识面，帮助你理解计算机体系结构。文中有一些关于 Linux 操作系统设计思路的内容，也许能向你展现操作系统的具体实现，帮你把抽象的操作系统概念落到具体的实现上。
- 了解 Linux 源码，或者准备认真研读的读者，可以配合文末给出的参考资料（即参考文献）阅读。赵炯博士的《Linux内核完全注释》是一本功力极为深厚的 Linux 源码解析专著，我强力推荐。杨力祥老师的《Linux内核设计的艺术》则与文中的思考题思路最为契合。最后，解析 Linux 源码最少不了的便是 Linux 源码本身和 Intel IA-32 芯片手册——后者是当时乃至当今绝大多数操作系统的体系结构基础。源码和《完全注释》可以在 www.oldlinux.org 获得，其余资料也大都可以从网上获得。如果你想偷懒，也可以向我发邮件要资料。我的邮箱是 icy_chlorine@pku.edu.cn。
- 对于正在上/上过杨老师操作系统课的同学，你阅读整篇文章应该没有太大的障碍。根据杨老师上课的思路或者《Linux内核设计的艺术》书中的思路走即可。
记号约定：
寄存器用带百分号的代码环境表示，如
%eip,%eax。函数、变量、标识符、内存地址用程序环境排版，如
main(),dir,0x7c00。- 体系结构中的专有概念（如全局描述符表 GDT、基本输入输出系统 BIOS）用一般环境排版。
- Linus 时代多使用 8 空格长的 tab 缩进，而如今的编辑器大都默认使用 4 个空格缩进，并将 tab 页渲染为四个空格长的空白。为了让代码和注释能正常对齐，将代码中的缩进全部替换为了与当时等长的空格。
- 引用代码中，用 C++ style 注释（
//...）表示我们添加的注解，以和 Linux 源代码中的 C style 注释（/*...*/）区分。
Part I 启动与 Intel IA-32 体系结构
1. 为什么开始启动计算机的时候，执行的是 BIOS 代码而不是操作系统自身的代码？
计算机只能从内存中运行程序，而无法直接从软盘或者硬盘中运行程序。不幸的是，计算机刚启动的时候，内存中空空如也、没有任何程序，需要将程序本身先加载进内存当中。这部分操作就由 BIOS(Basic Input/Output System) 完成。加电后， BIOS 完成一些硬件检测工作，设置实模式下的中断向量表和服务程序，并将操作系统的引导扇区加载至内存地址 0x7C00 处，然后将跳转至 0x7C00 运行操作系统的代码。
“实模式”是对 Intel x86 体系结构而言的
BIOS 程序存放在只读存储器 ROM(Read Only Memory) 中。ROM 断电后也能保持信息，但不能改变数据（或修改数据很困难），适合存放 BIOS 这种不需要修改的例行工作。通过内存映射，可以让处理器在上电后最先执行 ROM 中的程序，所以计算机启动最开始运行的是 BIOS 代码。BIOS 在计算机上电启动和操作系统代码之间增加了一层 indirection，使得同样的硬件上可以运行不同的操作系统。