2018-2019-1 20189206 《Linux内核原理与分析》第四周作业

linux内核分析学习笔记 ——第三章 MenuOS的构造

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计算机的“三大法宝”和操作系统的“两把宝剑”

三大法宝

• 程序存储计算机 即冯诺依曼体系结构，基本上是所有计算机的基础性的逻辑框架
• 函数调用堆栈 高级语言可以运行的起点就是函数调用堆栈
• 中断机制

• 中断上下文 保存现场和恢复现场
• 进程上下文 进程的调度

构建一个linux内核--MenuOS系统

linux内核源码几个重要的目录

• arch目录
  • 是与体系结构相关的子目录列表，存放了许多CPU体系结构相关的代码
  • 该目录主要作用是使linux内核支持不同的CPU体系结构
• init目录
  • 存放linux内核启动时的初始化代码
  • 在init目录下有main.c源文件，是整个linux内核启动的开始
• kernel目录
  • 存放内核本身所需要的一些核心代码文件
  • 存放进程调度相关的代码
• lib目录
  • 公用库文件
  • 在内核编程中不能使用C语言的标准库函数，lib目录就是用来替代那些标准库函数的

构造MenuOS系统

MenuOS系统由Linux内核镜像和根文件系统集成起来的

上图所示，在实验楼linux环境下，利用图示命令启动MenuOS系统。

• qemu仿真kernel
• bzImage是压缩的内核映像
• 根文件系统一般包括内存根文件系统和磁盘根文件系统
  • 本系统中利用rootf.img只有一个init功能，用menu程序代替init。

相关概念

• 文件系统和根文件系统
  • 文件系统：是对一个存储设备上的数据和元数据进行组织的机制，有利于用户和操作系统之间的交互。文件系统的用户只要知道所需文件的文件名，就可存取文件中的信息，而无需知道这些文件究竟存放在什么地方。
  • 根文件系统：也是一种文件系统，并且它是内核启动时，所挂载的第一个文件系统，内核代码的映像文件保存在根文件系统中，系统引导启动程序会在根文件系统挂载之后从中把一些初始化脚本和服务加载到内存中去运行。

文件系统和内核是完全独立的两个部分，linux启动第一个必须挂载根文件系统

• 内核编译之后会生成两个文件，一个是Image，另一个是zImage,其中Image为内核映像文件，zImage为内核的一种映像压缩文件。其中bzImage适用于大内核，zImage适用于小内核。

跟踪调试linux内核的启动过程

使用gdb跟踪调试内核，使用两个参数，-s 和-S

- -s 是在1234端口上创建了一个gdb-server

- -S 是在CPU初始化之前冻结起来

利用target remote：1234建立连接，在start_kernel处建立断点，输入c继续执行，将会看到，系统开始启动执行，到start_kernel处停止。

再设置一个断点rest_init继续执行，停在断点处

linux内核启动过程分析

• start_kernal（）函数
  
  在位于init目录下的main.c文件中，有内核启动的起点函数start_kernal（）在此函数调用之前，代码主要工作是完成硬件的初始化等。
  
  

  • 图中可以看到init_task是一个struct task_struct类型的变量。是进程描述符，使用宏INIT_TASK直接对其进行初始化。
  • task_struct就是内核线程，init_task就是0号进程，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，最后演变成idel进程

• rest_init()函数
  
  

  • kernel_thread()函数作用是创建新的内核线程，除了0号进程，其余所有的内核线程都是由kernel_thread（）这个接口产生的。下图所示是kernel_thread()的源代码。
    
    

  • kthreadd()函数的任务是管理和调度其他内核线程，可以看到在kthreadd()代码中，有一个while(1)循环执行，将进的内核线程加入到kthread_creat_list全局链表中。也就是当调用kernel_thread()创建的内核线程会被加入到链表中
    
    

针对于rest_init()函数来说，会启动三个进程，分别是idle(0号进程)、kernel_init（1号进程）、kthreadd(2号进程)

idle(0号进程) 由init_task进程创建后，调用cpu_idle()演变而成，

kernel_init（1号进程）由idle进程调用kernel_thread()创建，在内核空间完成初始化后, 演变成init程序，init进程是内核启动的第一个用户态进程。<font color="Tomato">kernel_init运行在内核空间，随后会完成从内核态向用户态的转变，变成init进程，运行在用户空间</font>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（2号进程）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，也是大部分创建的内核进程的父进程。

下图所示，是linux内核启动的流程示意图：

参考资料：

内核启动阶段进程分析

Linux内核线程的总结与思考

Linux下1号进程的前世(kernel_init)今生(init进程)----Linux进程的管理与调度（六）

问题

线程与进程

在分析linux内核启动过程中，设计到了好几个进程的启动与转变，书上的描述方式是 内核线程 但是创建的又是进程，我就分不清楚内核线程和进程的关系，我就去找了些概念：

• 进程：指在系统中能够独立运行并作为资源分配的基本单位，进程只能由父进程建立。
• 线程：是进程中的一个实体，作为系统调度的基本单位
  • 进程的个体是完全独立的，而线程间是彼此依存的。
  • 多进程环境中，任何一个进程的终止，不会影响到其他进程。而多线程环境中，父线程终止，全部子线程被迫终止(没有了资源)。而任何一个子线程终止一般不会影响其他线程，除非子线程执行了exit()系统调用。任何一个子线程执行exit()，全部线程同时灭亡。

可以看出，进程和线程是包含的关系，对于书上内核线程的描述就更加迷惑了，又查找了关于linux系统下的进程与线程相关资料：

• 内核线程，只是一个称呼，实际上就是一个进程，有自己独立的TCB，参与内核调度，也参与内核抢占。这个进程的特别之处有两点，第一、该进程没有前台。第二、永远在内核态中运行。
• 内核线程类似于用户进程，通常用于并并发处理性质的任务，并且可以抢占调度。不同于用户进程，内核线程位于内核空间,并且可以访问内核函数和内核数据。