20169212《Linux内核原理与分析》第七周作业

实验

给MenuOS增加time和time-asm命令的方法：

1. 更新menu代码到最新版
2. 再main()函数中增加MenuConfig
3. 增加对应的Time函数和TimeAsm函数(这里的函数要换成我们自己编写的使用系统调用的函数，比如mkdir和mkdirAsm)
4. make rootfs (帮我们自动编译自动生成根文件系统，自动帮我们启动起来menuos)

接下来我要使用gdb跟踪分析一个系统调用内核函数（mkdir）

这次我实验所用的系统调用仍然是是mkdir

首先，我们需要把上周做的两个实验加入到我们的MenuOS中,变成MenuOS中的两个命令。如图：

方法是要将函数加入到test.c中（因为实验楼中的clone无法使用），加入命令为：

int Mkdir()
{
        int flag;
        flag = mkdir("/home/shiyanlou/testdir");
        if (flag == -1)
                printf("mkdir failed！\n");
        else
                printf("make dirctory success!\n");
        return 0;
}

int MkdirAsm()
{
   int flag;
   char *dir = "/home/shiyanlou/testdir2";
   asm volatile(
       "movl $0x27,%%eax\n\t"
       "movl %1,%%ebx\n\t"
       "int $0x80\n\t"
       "movl %%eax,%0\n\t"
       :"=m"(flag)
       :"c"(dir)
       );
   if(flag==0)
      printf("mkdir success!\n");
   else
      printf("mkdir failed!\n");
   return 0;
}

在main函数中加入：

    MenuConfig("mkdir","Make A Directory",Mkdir);
    MenuConfig("mkdir-asm","Make A Directory(asm)",MkdirAsm);

make rootfs就可以自动生成，输入help可以看到mkdir，如下结果：

下面开始用gdb调试：

cd LinuxKernel
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S
水平分割
gdb
file linux-3.18.6/vmlinux   //加载内核
target remote:1234          //链接到menu os里
b start_kernel              //在start_kernel处设置断点
c                           //继续执行，到start_kernel 停下来

list                        //查看startkernel这段代码
b sys_mkdir                 //在我们要分析的这个系统调用处设置断点
c                           //继续执行
c
c

启动menuos，输入mkdir，看gdb调试结果

如果我们换用视频里的sys_time设置断点进行调试，之前的方法与mkdir类似，然后可以继续跟踪调试如下：

b sys_time
c
c
c
list
s                           //单步执行
s                           //单步执行
finish                      //函数执行完
s
s
n
n

这边代码就不大好调试了，如果我们再设置一个断点，当我们用int 0x80时，cpu自动跳转到system_call这个函数，下面我们直接设置断点system_call，是否能停下来呢？

b system_call
c

发现time返回了。在menuos中输入time—asm，停在system_time的位置，system_call并不能停下。老师说这里的system_call他不是一个正常的函数,它是一段特殊的汇编代码,可能gdb对他不支持,我们只能调试系统调用函数和对应的内核函数,调试内核函数的处理过程,但不能跟踪entry_32.s这个汇编代码，在system_call处并没有停下来。system_call在entry_32.s中，可以找到ENTRY(system_call),gdb可以发现一个函数原型，实际上不是函数，是汇编代码的起点，gdb现在还不能跟踪它。

关于从system_call到iret之间的过程

画了一个大致的流程图，如下：



首先保护现场（SAVE_ALL：保存需要用到的寄存器数据）；退出恢复现场（RESTORE_ALL：退出中断程序，恢复保存寄存器的数据）。

下面为SAVE_ALL的实现：

.macro SAVE_ALL
    cld
    PUSH_GS
    pushl_cfi %fs
    /*CFI_REL_OFFSET fs, 0;*/
    pushl_cfi %es
    /*CFI_REL_OFFSET es, 0;*/
    pushl_cfi %ds
    /*CFI_REL_OFFSET ds, 0;*/
    pushl_cfi %eax
    CFI_REL_OFFSET eax, 0
    pushl_cfi %ebp
    CFI_REL_OFFSET ebp, 0
    pushl_cfi %edi
    CFI_REL_OFFSET edi, 0
    pushl_cfi %esi
    CFI_REL_OFFSET esi, 0
    pushl_cfi %edx
    CFI_REL_OFFSET edx, 0
    pushl_cfi %ecx
    CFI_REL_OFFSET ecx, 0
    pushl_cfi %ebx
    CFI_REL_OFFSET ebx, 0
    movl $(__USER_DS), %edx
    movl %edx, %ds
    movl %edx, %es
    movl $(__KERNEL_PERCPU), %edx
    movl %edx, %fs
    SET_KERNEL_GS %edx
.endm

在这段代码中，保存了相关寄存器的值。 他们依次是：ES,DS,EAX,EBP,EDI,ESI,EDX,ECX,EBX等等。从这里寄存器的顺序可以知道压栈的最后压入的是ebx，这里压入的栈是内核栈。

遇到的问题

1. 在使用实验楼clone的时候出现问题，后将test.c文件更改进行解决
2. 实验楼一直很卡，试验了好多次最后在MenuOs上输入的mkdir命令上还是卡住了

书上的内容整理

1. 内核同步介绍：留意保护共享资源，防止共享资源并发访问，发生各个线程之间相互覆盖共享数据的情况，造成访问数据不一致；临界区和竞争条件，临界区：访问和操作共享数据的代码段。 竞争条件：两个执行线程处于同一个临界区中；内核各个部分都会调用两个函数，一个函数将新请求添加到队列尾部，另一个函数从队列头删除请求，然后处理它。
2. 锁的使用是自愿的、非强制的，它完全属于一种编程者自选的编程手段；内核中造成并发的原因：（1）中断：任何时刻异步发生，打断当前执行的代码（2）软中断和tasklet：任何时刻唤醒或调度软中断、tasklet（3）内核抢占（preempt）（4）睡眠及与用户空间的同步：唤醒调度程序，调度新进程执行（5）对称多处理器（SMP）；编程需注意的问题： （1）数据是否全局？除了当前线程，其他线程是否可以访问？ （2）数据是否在进程/中断上下文中共享？是否在两个不同中断中共享？（3）进程在访问数据时可否被抢占？被调度的新进程是否会访问同一数据？ （4）当前进程是否会睡眠（阻塞）在某些资源上？共享数据处于何种状态？ （5）怎样防止数据失控？；加锁：按顺序加锁。使用嵌套锁必须以相同顺序获取锁；防止发生饥饿； 不要重复请求同一个锁； 设计力求简单；建议以获取锁相反的顺序来释放锁。
3. 原子操作：原子操作执行过程不被打断，原子操作接口分为整数操作接口和单独位操作接口。
4. 自旋锁：自旋锁最多只能被一个可执行线程持有。若一个线程试图获得一个被征用的自旋锁，线程会一直忙循环、选择、等待锁可用。缺点：由于自旋锁在等待时自旋（浪费处理器时间），因此自旋锁不应长时间持有。优点：线程不用睡眠，不用进行上下文切换。自旋锁可以使用在中断处理程序中。对于软中断，无论是否同种类型，如果数据被软中断共享，那么它必须得到锁的保护。读写自旋锁：读写不同锁，多人和可并发持有读者锁，写锁只能被一个任务持有。
5. 信号量特点： Linux中的信号量是一种睡眠锁； 信号量适用于锁会被长期占有的情况；
   
   由于信号量会睡眠，所以只能用于进程上下文中，中断上下文不支持调度；可以在持有信号量时睡眠； 不可以在持有信号量时使用自旋锁； 信号量允许任意数目的锁持有者，自旋锁一个时刻只允许一个任务持有；在声明时课指定信号量拥有的持有者数量。
6. 禁止抢占：内核代码使用自旋锁作为非抢占区域的标记。preempt_disable() 增加抢占计数值，从而禁止内核抢占；preempt_enable() 减少抢占计数值，当减为0时检查和执行被挂起的任务； preempt_count() 返回抢占计数。