Linux内核设计第三周

——构造一个简单的Linux系统

一、知识点总结

计算机三个法宝：

存储程序计算机

函数调用堆栈

中断

操作系统两把宝剑：

中断上下文的切换

进程上下文的切换

linux内核源代码分析

arch/目录保存支持多种CPU类型的源代码

其中的关键目录包括：Documentation、drivers、firewall、fs（文件系统）、include

init目录：含有main.c，内核启动相关的代码基本都在init目录下

start_kernal()函数为启动函数，初始化内核的起点。

ipc目录：进程间的通信
kernel目录：有Linux内核的核心代码。

pid.c、kthread.c

lib目录：公用库文件
mm目录：内存管理代码
net目录：与网络相关代码
scripts目录：与脚本相关
security目录：与安全相关
sound目录：与声音相关
tools目录：与工具相关

README文件：

清理中间文件：
cd linux
make mrproper

安装一些模块，最终执行make
sudo make O = /home/name/build/kernal modules
install install // O= output/dir
将所选项关闭，以提高安装速度
make allnoconfig

二、实验过程

图1 构建Menu系统的过程

cd LinuxKernel/
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

其中rootfs.img 为根文件系统，目前只支持help、version、quit功能。

图2 使用gdb进行调试

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S

关于-s和-S选项的说明：

-S 在启动前冻结cpu(使用 ’c’ 以开始执行)
-s 在端口1234上创建一个tcp连接
若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项

图3 将断点设置到start_kernal

gdb
（gdb）file linux-3.18.6/vmlinux

在gdb界面中targe remote之前加载符号表

（gdb）target remote:1234

建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行

（gdb）break start_kernel

断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后

（gdb）c

开始执行

（gdb）list

列出断点位置的源代码

图4 将断点设置到rest_init

（gdb）break rest_init

断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后

（gdb）c

开始执行

（gdb）list

列出断点位置的源代码

三、分析start_kernel函数的执行过程

在init目录下的main.c有函数，其中包含start_kernel函数

基本所有模块，都需要start_kernel来进行初始化。

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)

其中，有init_ task，set_ task_ stack_ end_ magic(&init_task);这个是手工创建的PCB，0号进程，即最终的idle进程。

trap_init();//中断向量初始化

mm_init();//内存管理模块初始化

sched_init();//调度模块初始化

console_init();//控制模块初始化

rest_init(); //其他模块初始化

其中rest_ init()调用了
-->kernel_ thread(kernel_ init, NULL, CLONE_ FS); 调用了
-->run_ init_ process(ramdisk_ execute_ command);
//init是第一个用户态进程，是1号进程

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

//创建了线程

在rest_init中，各部分启动完毕后，

　　 /* Call into cpu_idle with preempt disabled */

cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE); 

调用static void cpu_idle_loop(void);

里面有个while(1)

也就是在系统没有进程需要执行时就调度idle进程

总结下来：在start_ kernel启动后，rest_ init的中0号进程会一直存在。

如图所示，第500行代码有start_kernel函数

四、总结

阐明对“Linux系统启动过程”的理解。

①在start_ kernel启动后，rest_ init的中0号进程会一直存在。
②道生一（startkernel....cpuidle），一生二（kernel_init和kthreadd），二生三（即前面0、1和2三个进程），三生万物（1号进程是所有用户态进程的祖先，2号进程是所有内核线程的祖先）

五、实验中遇到的问题

1、在gdb调试的过程中，出现了如下图所示的问题，即输入“fil e linux-3.18.6/vmlinux”后，提示“没有那个文件或目录”。

解决：需要先进入到linux-3.18.6目录下，然后再进入gdb中。

六、附录：

start_kernel函数的源代码如下：

  500asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)

    {

     char *command_line;

     char *after_dashes;

     /*

    506  * Need to run as early as possible, to initialize the

    507  * lockdep hash:

    508  */

     lockdep_init();

     set_task_stack_end_magic(&init_task);

     smp_setup_processor_id();

     debug_objects_early_init();

     /*

    515  * Set up the the initial canary ASAP:

    516  */

     boot_init_stack_canary();

     cgroup_init_early();

     local_irq_disable();

     early_boot_irqs_disabled = true;

    /*

    525 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then

    526 * enable them

    527 */

     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(); /* arch-specific boot-cpu hooks */

     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,

                   -, -, &unknown_bootoption);

     if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))

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

                set_init_arg);

     jump_label_init();

     /*

    554  * These use large bootmem allocations and must precede

    555  * kmem_cache_init()

    556  */

     setup_log_buf();

     pidhash_init();

     vfs_caches_init_early();

     sort_main_extable();

     trap_init();  //中断向量初始化

     mm_init();  //内存管理模块初始化

     /*

    565  * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the

    566  * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()

    567  * time - but meanwhile we still have a functioning scheduler.

    568  */

     sched_init();  //调度模块初始化

     /*

    571  * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely

    572  * fragile until we cpu_idle() for the first time.

    573  */

     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();

     /* init some links before init_ISA_irqs() */

     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();

     /*

    603  * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before

    604  * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of

    605  * this. But we do want output early, in case something goes wrong.

    606  */

     console_init();

     if (panic_later)

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

               panic_param);

     lockdep_info();

     /*

    615  * Need to run this when irqs are enabled, because it wants

    616  * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs

    617  * too:

    618  */

     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 = ;

     }

    #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

     /* Should be run before the first non-init thread is created */

     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();

     /* rootfs populating might need page-writeback */

     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();

     /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */

     rest_init();  //其他模块初始化

    }