Linux期中总结

在MOOC八周内容高度概括总结如下

(一)计算机是如何工作的

• 冯诺依曼体系结构——核心：存储程序计算机;

• X86汇编基础

(二)操作系统是如何工作的

• 三个法宝——存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制；

• 在my_schedule函数中，完成进程的切换。进程的切换分两种：

  1.下一个进程没有被调度过；
  2.下一个进程被调度过，可以通过下一个进程的state知道其状态。

  进程切换通过内联汇编代码实现，需要保存之前的进程的eip和堆栈，然后将新进程的eip和堆栈的值存入相对应的寄存器中。

(三) Linux内核源代码简介

• sched_init()进程调度初始化函数，函数内关键的初始化——对0号进程，即idle进程进行初始化；

• rest_init()其他初始化函数，函数内将创建1号进程，即init进程；

• 内核的启动过程：

  rest_init实际是start_kernel内核一启动的时候会一直存在，这个就叫0号进程；0号进程创建了1号进程kernel_init和其他服务线程。

• 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 freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)
  -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

  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 # 断点的设置可在target remote之前，也可在后

(四) 扒开系统调用的三层皮（上）

• 三层皮：API xyz，中断向量system_call，中断服务程序sys_xyz

• 系统是通过中断的方式将用户态转换为内核态，并通过调用系统函数来实现系统功能。

• 系统调用是一个软中断，中断号是0x80——通过int 0x80，触发系统调用。

• 嵌入汇编格式为：

  asm ( assembler template
  : output operands /* optional /
  : input operands / optional /
  : list of clobbered registers / optional */
  );

(五) 扒开系统调用的三层皮（下）

• set_system_trap_gate，设置系统陷阱门，即系统调用。

• 使用gdb跟踪

  make rootfs:自动编译,生成根文件系统,自动启动.
  (gdb)list 查看代码.
  (gdb)s 单步调试进入函数体.
  (gdb)n 单步调试不进入函数体.

• 给MenuOS增加time和time-asm命令、添加了fork

(六) 进程的描述和进程的创建

• 操作系统的三大管理功能：进程管理、内存管理、文件系统；

• PCB task_struct中：进程状态、进程打开的文件、进程优先级信息；

• PID唯一的标识进程；

• 创建一个新进程在内核中的执行过程

  1.使用系统调用clone、fork、vfork均可创建一个新进程，但都是通过调用do_fork来实现进程的创建；
  2.复制父进程PCB--task_struct来创建一个新进程，要给新进程分配一个新的内核堆栈;
  3.修改复制过来的进程数据，比如pid、进程链表等等执行copy_process和copy_thread
  4.p->thread.sp = (unsigned long) childregs; //调度到子进程时的内核栈顶
  p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //调度到子进程时的第一条指令地址

(七) 可执行程序的装载

• Linux内核装载和启动一个可执行程序

  1.创建新进程
  2.新进程调用execve()系统调用执行指定的ELF文件
  3.调用内核的入口函数sys_execve()，sys_execve()服务例程修改当前进程的执行上下文；
  （以上系统调用终止后，新进程开始执行放在可执行文件中的代码。）

• 当ELF被load_elf_binary()装载完成后，函数返回至do_execve()在返回至sys_execve()。ELF可执行文件的入口点取决于程序的链接方式：

  1.静态链接：elf_entry就是指向可执行文件里边规定的那个头部，即main函数处。
  2.动态链接：可执行文件是需要依赖其它动态链接库，elf_entry就是指向动态链接器的起点。

(八) 进程的切换和系统的一般执行过程

• schedule()函数负责调度;

• linux系统的一般执行过程:

  X正在运行--->发生中断，可能陷入内核，CPU自动保存加载--->SAVE_ALL保存现场--->调用schedule，switch_to进程上下文切换--->标号1之后运行Y（之前有进行准备动作）--->restore_all恢复现场--->iret- pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack--->继续运行用户态进程Y

• 特殊情况

  通过中断处理过程中的调度时机，用户态进程与内核线程之间互相切换和内核线程之间互相切换，与最一般的情况非常类似，只是内核线程运行过程中发生中断没有进程用户态和内核态的转换；

  内核线程主动调用schedule()，只有进程上下文的切换，没有发生中断上下文的切换，与最一般的情况略简略；

  创建子进程的系统调用在子进程中的执行起点及返回用户态，如fork；

  加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve