20169210《Linux内核原理与分析》第五周作业

本次内容分为两部分，第一部分是实验，第二部分是教材的第四章和第六章。

第一部分：实验

本次的实验内容是构造一个简单的Linux系统MenuOS，过程如下。

首先使用如下命令进入LinuxKernel

$ cd LinuxKernel

可以看到我们几个需要的文件，如Linux-3.18.6和rootfs生成了rootfs.img前面的工作已经做好了，就可以直接启动了，启动命令如下。

$ qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd roofs.img

其中initrd是指定根文件系统，就是rootfs.img。

启动结果如图所示，



我们可以看到加载了根文件系统，init就执行起来了，就看到了MenuOS,内核启动完成后进入menu程序，支持三个命令help、version和quit。可以输入一个help，就可以看到三个命令。



这样构件一个简单的Linux系统就完成了。

接下来是使用gdb跟踪调试内核，命令如下

$ qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd roofs.img —S -s

先把内核启动一下，-S freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)是表示在CPU初始化之前就冻结起来，-s shorthand for -gdb tcp::1234 若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项，是指在-gdb tcp::1234端口上创建了一个gdb server。结果如下图所示



我们可以用水平分割另外打开一个窗口，输入

$ gdb

打开了gdb 就可以看到gdb的提示符，如图所示。

使用如下命令把gdb带有符号表（debug信息）的内核镜像加载进来，就是在gdb界面中targe remote之前加载符号表。

（gdb）file linux-3.18.6/vmlinux

结果如图所示

接下来就是使用如下命令建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行。

（gdb）target remote:1234

如图所示

使用如下命令在内核启动的起点设置断点，断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后。

（gdb）break start_kernel

如图所示

如果按C加回车的话系统就开始启动了，启动到start_kernel的位置，如图所示



输入s进入函数，输入n单步执行

输入list就可以查看函数

接下来简单分析一下start_kernel。



其中&init_task是全局变量，即手工创建的PCB，0号进程即最终的idle进程。下面的debug boot等启动的点，都涉及到复杂的模块。不管分析内核的哪一个部分都会涉及到start_kernel，基本上所有的模块都是经过statr_kernel进行初始化。我们只看需要了解的。

trap_init()是初始化一些中断向量。由于搜索该函数时遇到了问题，所以无法继续分析。具体问题如下图，找不到linux-3.18.6文件。



只能了解到设置了很多硬件中断，其中有一个是trap_get()系统陷阱门。

mm_init()是内存管理模块的初始化，sched_init()调度模块初始化等等还有很多模块的初始化。



这是函数的最后一句。在该函数中有kernle_init，如下所示。

kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);

kernel_init()函数部分代码如下所示



其中run_init_process()是linux系统中的1号进程，就是第一个用户态进程。

接下来还创建了一个kthreadd内核线程，管理系统的资源，如下所示。

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

rest_init()启动完成之后进入cpu_start_entry()，当系统没有进程需要执行时就调度到idle进程。cpu_start_entry()中的cpu_idel_loop()函数中的while(0)就是0号进程

总结：

rest_init()在内核启动一直存在，这就是0号进程，0号进程创建了一号进程kernel_init()，还创建了其他的服务线程。道生一一生二，二生三，三生万物。

第二部分：教材

本周学习了第四章进程调度和第六章内核数据结构。

进程调度策略:I/O消耗型和处理器消耗型的进程分类，按进程优先级和时间片。

Linux调度实现：时间记账，进程选择，调度器入口，睡眠和唤醒。

链表：单项链表和双向链表，环形链表。还介绍了操作链表、沿链表移动和遍历链表的方法。

对于队列介绍了kfifo,创建队列，推入队列数据，摘取队列数据，获取队列长度，重置和撤销队列。

最重要的是自平衡二叉搜索树，一个平衡二叉搜索树是一个所有叶子节点深度差不超过1的二叉搜索树，一个自平衡二叉搜索树是指其操作都试图维持（半）平衡的二叉搜索树。红黑树是自平衡的二叉搜索树，并且遵循六个属性。

1.所有的节点要么着红色，要么着黑色。

2.叶子节点都是黑色。

3.叶子节点都不包含数据。

4.所有非叶子结点都有两个子节点。

5.如果一个节点是红色，则它的子节点就是黑色。

6.在一个节点到其叶子节点的路径上，如果总是包含同样数目的黑色节点，则该路径相比其他路径是最短的。

上述条件，保证了最深的叶子节点的深度不会大于两倍的最浅叶子节点的深度，所以，红黑树总是半平衡的。