Linux内核分析第三周——构造一个简单的Linux系统MenuOS

构造一个简单的Linux系统MenuOS

李雪琦 + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

计算机三个法宝：

• 1、存储程序计算机
• 2、函数调用堆栈
• 3、中断

操作系统两把宝剑：

• 1、中断上下文的切换：保存现场和恢复现场
• 2、进程上下文的切换

一、阅读Linux内核代码

本周我们要学习如何阅读Linux内核源代码，首先打开Lstest Stable Kernel:linux-3.18.6。

arch/目录在Linux内核中占有相当庞大的代码量，因为Linux支持很多CPU，这个arch/x86目录下的代码是我们重要关注的代码。

根目录中比较关键的目录：

• Documentation/文档
• fs/文件系统
• init/内核启动相关的代码基本都在init目录下，里面的main.c是整个Linux内核启动的起点。它的起点是start_kernel

start_kernel函数相当于普通C程序的main函数。

• ipc/进程间通信
• kernel/Linux内核的核心代码在kernel目录中
• lib/公用的库文件
• mm/memmory management内存管理
• net/与网络相关的代码
• security/与安全相关的代码
• scripts/脚本

二、构造一个简单的Linux系统MenuOS

使用实验楼的虚拟机打开shell。linux-3.18.6.tar就是内核源代码，rootfs里面有用menu编译好的init可执行文件，rootfs.img是它生成的。输入help会有以下三条命令。

使用gdb跟踪调试内核

输入以下命令

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

• S表示：在CPU初始化之前，冻结CPU
• s表示在：1234端口上创建一个tcp接口

水平分割，再打开一个shell窗口，输入gdb

输入（gdb）file linux-3.18.6/vmlinux

在targe remote之前加载符号表

Reading后，连接到刚启动的被冻结的linux系统，设置断点，把内核启动的起点start_kernel设为断点，在init/main.c文件中，第501行

输入c，回车，系统从冻结状态开始执行，启动。

输入list，可以看见start_kernel代码上下的这段代码

再设一个断点rest_init，按c继续执行

系统已经执行到rest_init

输入list，看rest_init前后的代码

在start_kernel尾部被调用

三、简单分析start_kernel

1. init/main.c -> stat_kernel

asmlinkage void __init start_kernel(void)该函数是Linux内核的入口。

start_kernel()是内核的汇编与Ｃ语言的交接点，在该函数以前，内核的代码都是用汇编写的，完成一些最基本的初始化与环境设置工作。

在start_kernel()中Linux将完成整个系统的内核初始化。内核初始化的最后一步就是启动init进程，这个所有进程的祖先。

不管分析内核那一部分都会涉及到start_kernel,因为几乎所有模块在初始化时都会调用它。

2. 一些init函数

（1）全局变量 init_task

全局变量init_task，即手工创建的PCB，0号进程初始化，0号进程就是最终的idle。

（2）初始化一些中断向量 trap_init()

中断向量表的初始化函数，设置了很多中断门(Interrupt Gate)

set_intr_gate：设置中断门

（3）内存管理模块初始化 mm_init（）

（4）调度模块初始化 sched_init（）

函数内做了很关键的一步初始化——对0号进程，即idle进程进行初始化。

（5）其它模块初始化 rest_init（）

kernel_thread``(kernel_init,NULL,CLONE_FS)中的kernel_init包含一个run_init_process，创建了一号进程，即第一个用户态进程。之后创建了kthread，一个内核线程来管理系统的资源。

各部分启动完毕后，调用static void cpu_idle_loop(void)，当系统没有进程需要执行时就调度到idle进程中的cpu_idle_loop，其中while(1)无限循环，即rest_init的中0号进程会一直存在。

四、总结

qemu -kernel (文件名) -initrd (rootfs.img)

• qemu相当于打开一个虚拟机

• kernel启动一个内核，位置由其后的文件名指定。如果在当前目录下，可以直接输入文件名，如果不是，则需要输入该内核的全路径。

• initrd指令是挂了一个ramdisk虚拟硬盘，是内核的重要补充，rootfs.img就是这个虚拟硬盘，内有分区，然后启动的其实是其中的init文件，这个文件是由之前的menuOS编译而成，gcc -o命名为init。

所以就是要启动一个内核，挂一个硬盘，然后再运行一个init即1号进程。

也就是说，init中main.c中有一个start_kernel函数

在start_kernel函数的尾部调用了一个rest_init

有一个全局变量init_task，即手工创建的PCB，0号进程，即最终的idle进程。0号进程一直存在，系统没有进程需要执行时调度到0号进程。

rest_init()中有kernel_thread(kernel_init,NULL,CLONE_FS)

kernel_init中有run_init_process，run_init_process创建了一号进程。