2018-2019-1 20189215 《Linux内核原理与分析》第四周作业

《庖丁解牛》第三章书本知识总结

1. 计算机的三大法宝

存储程序计算机

函数调用堆栈

中断

1. 操作系统的两把宝剑

中断上下文的切换——保存现场和恢复现场

进程上下文的切换

1. Linux内核源码的目录结构如下所示。

1. 关键的目录

arch：arch目录在Linux内核目录中占比相当庞大，主要原因是arch目录中的代码可以使Linux内核支持不同的CPU和体系结构。

block：存放Linux存储体系中关于块设备管理的代码。

crypto：存放常见的加密算法的C语言代码，譬如crc32、md5、sha1等。

drives：驱动目录。

fs：文件系统（File System）。

init：init是初始化的意思，存放Linux内核启动时的初始化代码。

ipc：Linux系统支持的IPC（进程间通信）的代码实现。

kernel：存放内核本身需要的一些核心代码文件，其中有很多关键代码，包括pid——进程号等。

lib：公用的库文件，里面是一些公用的库函数。需要注意的 是在内核编程中不能用C函数标准库函数。

mm： 内存管理，存放Linux的内存管理代码。

net：存放网络相关的代码，譬如TCP/IP的协议栈等。

1. init目录下有main.c源文件，它是整个Linux内核启动的起点，但它的起点不是main函数，而是start_kernel函数，start_kernel函数是初始化Linux内核启动的起点，start_kerne前的代码使用汇编语言来进行硬件初始化。
2. qemu仿真kernel。
3. bzImage是vmlinux经过压缩后的文件，是压缩的内核映像；vmlinux是编译出来的最原始的内核ELF文件。
4. qemu命令中的-s、-S参数，-s表示用1234端口上的gdb-server连接，可以用-gdb tcp:xxxx来代替；-S表示在CPU初始化之前冻结，使用c继续执行。

实验：跟踪分析Linux内核的启动过程

1. 运行内核
   
   
2. 重新运行，加上参数，内核被冻结
   
   
3. 调试内核
   
   
4. 设置断点到start_kernel
   
   
5. 设置断点到rest_init
   
   

代码分析

• start_kernel()（为了减少点空间，我把所有注释和空行删掉了）

500 asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
	char *command_line;
	char *after_dashes;

	lockdep_init();
510	set_task_stack_end_magic(&init_task);
	smp_setup_processor_id();
	debug_objects_early_init();
	boot_init_stack_canary();
	cgroup_init_early();
	local_irq_disable();
	early_boot_irqs_disabled = true;
	boot_cpu_init();
	page_address_init();
	pr_notice("%s", linux_banner);
	setup_arch(&command_line);
	mm_init_cpumask(&init_mm);
	setup_command_line(command_line);
	setup_nr_cpu_ids();
	setup_per_cpu_areas();
	smp_prepare_boot_cpu();
	build_all_zonelists(NULL, NULL);
	page_alloc_init();
	pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line);
	parse_early_param();
	after_dashes = parse_args("Booting kernel",
				  static_command_line, __start___param,
				  __stop___param - __start___param,
				  -1, -1, &unknown_bootoption);
	if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
		parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,
			   set_init_arg);
	jump_label_init();
	setup_log_buf(0);
	pidhash_init();
	vfs_caches_init_early();
	sort_main_extable();
	trap_init();
	mm_init();
	sched_init();
	preempt_disable();
	if (WARN(!irqs_disabled(),
		 "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))
		local_irq_disable();
	idr_init_cache();
	rcu_init();
	context_tracking_init();
	radix_tree_init();
	early_irq_init();
	init_IRQ();
	tick_init();
	rcu_init_nohz();
	init_timers();
	hrtimers_init();
	softirq_init();
	timekeeping_init();
	time_init();
	sched_clock_postinit();
	perf_event_init();
	profile_init();
	call_function_init();
	WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n");
	early_boot_irqs_disabled = false;
	local_irq_enable();
	kmem_cache_init_late();
	console_init();
	if (panic_later)
		panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
		      panic_param);
	lockdep_info();
	locking_selftest();
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
	if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
	    page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {
		pr_crit("initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - disabling it.\n",
		    page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),
		    min_low_pfn);
		initrd_start = 0;
	}
#endif
	page_cgroup_init();
	debug_objects_mem_init();
	kmemleak_init();
	setup_per_cpu_pageset();
	numa_policy_init();
	if (late_time_init)
		late_time_init();
	sched_clock_init();
	calibrate_delay();
	pidmap_init();
	anon_vma_init();
	acpi_early_init();
#ifdef CONFIG_X86
	if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))
		efi_enter_virtual_mode();
#endif
#ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64
	init_espfix_bsp();
#endif
	thread_info_cache_init();
	cred_init();
	fork_init(totalram_pages);
	proc_caches_init();
	buffer_init();
	key_init();
	security_init();
	dbg_late_init();
	vfs_caches_init(totalram_pages);
	signals_init();
	page_writeback_init();
	proc_root_init();
	cgroup_init();
	cpuset_init();
	taskstats_init_early();
	delayacct_init();
	check_bugs();
	sfi_init_late();
	if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {
		efi_late_init();
		efi_free_boot_services();
	}
	ftrace_init();
	rest_init();
}

main.c中没有main函数，start_kernel是一切的起点，可以看到本函数中全是初始化的调用。

不论分析内核的哪一部分，都会涉及到start_kernel，因为基本上所有模块的初始化都在main.c的start_kernel来调用。

• 标注510行的代码set_task_stack_end_magic(&init_task);

init_task即手工创建的PCB，是0号进程，也是最终的idle进程，init_task是唯一的没有通过fork方式产生的进程。
• rest_init()

static noinline void __init_refok rest_init(void)
{
	int pid;

	rcu_scheduler_starting();
	/*
	 * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however
	 * the init task will end up wanting to create kthreads, which, if
	 * we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.
	 */
	kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
	numa_default_policy();
	pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
	rcu_read_lock();
	kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
	rcu_read_unlock();
	complete(&kthreadd_done);

	/*
	 * The boot idle thread must execute schedule()
	 * at least once to get things moving:
	 */
	init_idle_bootup_task(current);
	schedule_preempt_disabled();
	/* 当系统没有进程需要执行时，就调度到idle进程 */
	cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
}

通过rest_init()新建kernel_init和kernel_thread()内核线程。调用kernel_thread()创建1号内核线程。

• kthreadd() 位于linux-3.18.6/kernel/kthread.c #483
  
  pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);这行代码调用kernel_thread执行kthreadd，创建PID为2的内核线程。
• trap_init()涉及到一些中断的初始化

一些补充

Linux下有3个特殊的进程，idle进程(PID = 0), init进程(PID = 1)和kthreadd(PID = 2)

• idle进程由系统自动创建, 运行在内核态
  
  idle进程其pid=0，其前身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。完成加载系统后，演变为进程调度、交换。
• init进程由idle通过kernel_thread创建，在内核空间完成初始化后, 加载init程序, 并最终到用户空间
  
  由0进程创建，完成系统的初始化. 是系统中所有其它用户进程的祖先进程。
  
  Linux中的所有进程都是有init进程创建并运行的。首先Linux内核启动，然后在用户空间中启动init进程，再启动其他系统进程。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。
  
  它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数，该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入> 到此链表中，因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程。

其他想法

本次实验和书本学习，我受益匪浅，真正接触到了Linux内核的源码，感觉需要更多接触，之后在自己的机器上面构建一个MenuOS，构建成功后把截图发在下面。

在自己机器上运行的MenuOS：



又遇到了两个小问题：

1. fatal error: bits/libc-header-start.h: 没有那个文件
   
   主要是gcc安装环境没有安装完善，输入sudo apt-get install gcc-multilib解决。
2. Command 'qemu' not found
   
   按照提示输入sudo apt install qemu安装完成之后，还是提示相同的错误。
   
   此时，需要使用qemu-system-i386或qemu-system-x86_64指令替换qemu指令。如果还是使用qemu指令，可以建立一条软链接：sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu

参考资料

《庖丁解牛Linux》

Linux下0号进程的前世(init_task进程)今生(idle进程)

Ubuntu 12.04之找不到Qemu命令