2018-2019-1 20189215 《Linux内核原理与分析》第四周作业

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《庖丁解牛》第三章书本知识总结

计算机的三大法宝

存储程序计算机

函数调用堆栈

中断

操作系统的两把宝剑

中断上下文的切换——保存现场和恢复现场

进程上下文的切换

Linux内核源码的目录结构如下所示。

关键的目录

arch：arch目录在Linux内核目录中占比相当庞大，主要原因是arch目录中的代码可以使Linux内核支持不同的CPU和体系结构。

block：存放Linux存储体系中关于块设备管理的代码。

crypto：存放常见的加密算法的C语言代码，譬如crc32、md5、sha1等。

drives：驱动目录。

fs：文件系统（File System）。

init：init是初始化的意思，存放Linux内核启动时的初始化代码。

ipc：Linux系统支持的IPC（进程间通信）的代码实现。

kernel：存放内核本身需要的一些核心代码文件，其中有很多关键代码，包括pid——进程号等。

lib：公用的库文件，里面是一些公用的库函数。需要注意的是在内核编程中不能用C函数标准库函数。

mm：内存管理，存放Linux的内存管理代码。

net：存放网络相关的代码，譬如TCP/IP的协议栈等。

`init` 目录下有 `main.c` 源文件，它是整个Linux内核启动的起点，但它的起点不是main函数，而是 `start_kernel` 函数， `start_kernel` 函数是初始化Linux内核启动的起点， `start_kerne` 前的代码使用汇编语言来进行硬件初始化。

`qemu` 仿真kernel。

`bzImage` 是 `vmlinux` 经过压缩后的文件，是压缩的内核映像； `vmlinux` 是编译出来的最原始的内核ELF文件。

`qemu` 命令中的 `-s` 、 `-S` 参数， `-s` 表示用1234端口上的gdb-server连接，可以用 `-gdb tcp:xxxx` 来代替； `-S` 表示在CPU初始化之前冻结，使用 `c` 继续执行。

实验：跟踪分析Linux内核的启动过程

运行内核

重新运行，加上参数，内核被冻结

调试内核

设置断点到 `start_kernel`

设置断点到 `rest_init`

代码分析

start_kernel() （为了减少点空间，我把所有注释和空行删掉了）

500 asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)

{

	char *command_line;

	char *after_dashes;

	lockdep_init();

510	set_task_stack_end_magic(&init_task);

	smp_setup_processor_id();

	debug_objects_early_init();

	boot_init_stack_canary();

	cgroup_init_early();

	local_irq_disable();

	early_boot_irqs_disabled = true;

	boot_cpu_init();

	page_address_init();

	pr_notice("%s", linux_banner);

	setup_arch(&command_line);

	mm_init_cpumask(&init_mm);

	setup_command_line(command_line);

	setup_nr_cpu_ids();

	setup_per_cpu_areas();

	smp_prepare_boot_cpu();

	build_all_zonelists(NULL, NULL);

	page_alloc_init();

	pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line);

	parse_early_param();

	after_dashes = parse_args("Booting kernel",

				  static_command_line, __start___param,

				  __stop___param - __start___param,

				  -1, -1, &unknown_bootoption);

	if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))

		parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,

			   set_init_arg);

	jump_label_init();

	setup_log_buf(0);

	pidhash_init();

	vfs_caches_init_early();

	sort_main_extable();

	trap_init();

	mm_init();

	sched_init();

	preempt_disable();

	if (WARN(!irqs_disabled(),

		 "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))

		local_irq_disable();

	idr_init_cache();

	rcu_init();

	context_tracking_init();

	radix_tree_init();

	early_irq_init();

	init_IRQ();

	tick_init();

	rcu_init_nohz();

	init_timers();

	hrtimers_init();

	softirq_init();

	timekeeping_init();

	time_init();

	sched_clock_postinit();

	perf_event_init();

	profile_init();

	call_function_init();

	WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n");

	early_boot_irqs_disabled = false;

	local_irq_enable();

	kmem_cache_init_late();

	console_init();

	if (panic_later)

		panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,

		      panic_param);

	lockdep_info();

	locking_selftest();

#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD

	if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&

	    page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {

		pr_crit("initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - disabling it.\n",

		    page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),

		    min_low_pfn);

		initrd_start = 0;

	}

#endif

	page_cgroup_init();

	debug_objects_mem_init();

	kmemleak_init();

	setup_per_cpu_pageset();

	numa_policy_init();

	if (late_time_init)

		late_time_init();

	sched_clock_init();

	calibrate_delay();

	pidmap_init();

	anon_vma_init();

	acpi_early_init();

#ifdef CONFIG_X86

	if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))

		efi_enter_virtual_mode();

#endif

#ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64

	init_espfix_bsp();

#endif

	thread_info_cache_init();

	cred_init();

	fork_init(totalram_pages);

	proc_caches_init();

	buffer_init();

	key_init();

	security_init();

	dbg_late_init();

	vfs_caches_init(totalram_pages);

	signals_init();

	page_writeback_init();

	proc_root_init();

	cgroup_init();

	cpuset_init();

	taskstats_init_early();

	delayacct_init();

	check_bugs();

	sfi_init_late();

	if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {

		efi_late_init();

		efi_free_boot_services();

	}

	ftrace_init();

	rest_init();

}

main.c 中没有main函数， start_kernel 是一切的起点，可以看到本函数中全是初始化的调用。

不论分析内核的哪一部分，都会涉及到 start_kernel ，因为基本上所有模块的初始化都在 main.c 的 start_kernel 来调用。

标注510行的代码 set_task_stack_end_magic(&init_task);

init_task 即手工创建的PCB，是0号进程，也是最终的idle进程， init_task 是唯一的没有通过fork方式产生的进程。
rest_init()

static noinline void __init_refok rest_init(void)

{

	int pid;

	rcu_scheduler_starting();

	/*

	 * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however

	 * the init task will end up wanting to create kthreads, which, if

	 * we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.

	 */

	kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);

	numa_default_policy();

	pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);

	rcu_read_lock();

	kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);

	rcu_read_unlock();

	complete(&kthreadd_done);

	/*

	 * The boot idle thread must execute schedule()

	 * at least once to get things moving:

	 */

	init_idle_bootup_task(current);

	schedule_preempt_disabled();

	/* 当系统没有进程需要执行时，就调度到idle进程 */

	cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);

}

通过 rest_init() 新建 kernel_init 和 kernel_thread() 内核线程。调用 kernel_thread() 创建1号内核线程。

kthreadd() 位于linux-3.18.6/kernel/kthread.c #483

pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES); 这行代码调用 kernel_thread 执行 kthreadd ，创建PID为2的内核线程。
trap_init() 涉及到一些中断的初始化

一些补充

Linux下有3个特殊的进程，idle进程(PID = 0), init进程(PID = 1)和kthreadd(PID = 2)

idle进程由系统自动创建, 运行在内核态

idle进程其pid=0，其前身是系统创建的第一个进程，也是唯一一个没有通过fork或者kernel_thread产生的进程。完成加载系统后，演变为进程调度、交换。

init进程由idle通过kernel_thread创建，在内核空间完成初始化后, 加载init程序, 并最终到用户空间

由0进程创建，完成系统的初始化. 是系统中所有其它用户进程的祖先进程。

Linux中的所有进程都是有init进程创建并运行的。首先Linux内核启动，然后在用户空间中启动init进程，再启动其他系统进程。在系统启动完成完成后，init将变为守护进程监视系统其他进程。

kthreadd进程由idle通过kernel_thread创建，并始终运行在内核空间, 负责所有内核线程的调度和管理。

它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数，该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入> 到此链表中，因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程。

其他想法

本次实验和书本学习，我受益匪浅，真正接触到了Linux内核的源码，感觉需要更多接触，之后在自己的机器上面构建一个MenuOS，构建成功后把截图发在下面。

在自己机器上运行的MenuOS：

又遇到了两个小问题：

fatal error: bits/libc-header-start.h: 没有那个文件

主要是gcc安装环境没有安装完善，输入 sudo apt-get install gcc-multilib 解决。
Command 'qemu' not found

按照提示输入 sudo apt install qemu 安装完成之后，还是提示相同的错误。

此时，需要使用 qemu-system-i386 或 qemu-system-x86_64 指令替换 qemu 指令。如果还是使用 qemu 指令，可以建立一条软链接： sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu

参考资料

《庖丁解牛Linux》

Linux下0号进程的前世(init_task进程)今生(idle进程)

Ubuntu 12.04之找不到Qemu命令

正文

实验：跟踪分析Linux内核的启动过程

运行内核

重新运行，加上参数，内核被冻结

调试内核

设置断点到 `start_kernel`

设置断点到 `rest_init`

其他想法

参考资料

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重新运行，加上参数，内核被冻结

调试内核

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