2018-2019-1 20189203《Linux内核原理与分析》第四周作业

第一部分 课本学习

• 内核版本号：Linux内核自2013年12月起，就以A.B.C.D的方式命名。A和B变得无关紧要，C是内核的真实版本。每一个版本的变化都会带来新的特性，如内部API的变化等，改动的代码数量常常上万行。D是安全补丁和bug修复。
• 几个关键的目录：
  
  Arch：与体系结构相关的子目录列表。
  
  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。
  
  Documentation：存放一些文档。
  
  Drivers：驱动目录，里面分门别类地存放了Linux内核支持的所有硬件设备的驱动源代码。
  
  Firmware：固件。
  
  Fs：文件系统，里面列出了Linux支持的各种文件系统的实现。
  
  Include：头文件目录，存放公共的头文件。
  
  Init：init是初始化的意思，存放Linux内核启动时的初始化代码。
  
  Ipc：里面是Linux支持的IPC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。
  
  Mm：存放LInux的内存管理代码。
  
  Net：该目录下是网络相关的代码，譬如TCP/IP协议栈等。
• 编译配置Linux内核的关键步骤：
  
  1、编译安装步骤
  
  安装开发组包>下载源码文件>.config: 准备配置文件>make menuconfig: 配置内核选项>make[-j#]>make modules_install: 安装模块>make install：安装内核相关文件>安装bzImage 为 /boot/vmlinuz-VERSION-RELEASE>生成initramfs>编辑grub的配置文件。
  
  2、编译配置选项
  
  （1）配置内核选项
  
  （2）支持“更新”模式进行配置：make help
  
  Make config：基于命令行以遍历的方式去配置内核中可配置的每个选项。
  
  Make menuconfig：基于命令行以遍历的方式去配置内核中可配置的每个选项。
  
  Make gconfig：基于GTK（GNOME）环境窗口界面。
  
  Make xconfig: 基于QT（KDE）环境的窗口界面。
  
  （3）支持“全新配置”模式进行配置
  
  Make defconfig：基于内核为目标平台提供的“默认”配置进行配置。
  
  Make allyesconfig：所有选项均回答为“yes”。
  
  Make allnoconfig：所有选项均回答为“no”。
  
  3.编译
  
  全编译：make[-j#]

第二部分 实验操作

• 在实验楼环境下输入：

cd LinuxKernel/
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

完成启动内核的操作，如下图：

• 几个指令的含义：
  
  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。
  
  bzImage是vmLinux经过gzip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。
  
  initrd是“initial ramdisk”的简写，普通linux用户一般感受不到这个内存根文件系统的存在，内核启动先访问initrd文件系统，然后在切换到磁盘文件系统。
• 使用gdb跟踪调试内核

（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 # 断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后

• 操作如下：
  
  加载符号表：
  
  
  
  链接gdbserver：
  
  
  
  设置一个断点
  
  
  
  查看start_kernel函数的上下文
  
  

第三部分 分析从start_kernel到init进程启动的过程

1、start_kernel()

代码如下：

• main.c中没有main函数，start_kernel()相当于C语言中的main函数。Start_kernel是一切的起点，在此函数被调用之前，内核代码主要是用汇编语言写的，用于完成硬件系统的初始化工作，为C代码的运行设置环境。

2、init_task()

代码如下：

• init_task（0号进程）是task_struct类型，是进程描述符，使用宏INIT_TASK对其进行初始化。接下来就是对各模块的初始化。

3.rest_init()

代码如下：

• rest_init()这个函数调用系统函数 kernel_thread() 创建 1 号进程，即 init 进程，是用户态所有进程的祖先。然后，新建 kthreadd 进程，是内核态所有进程的祖先。最后，通过 cpu_startup_entry 函数启动 0 号进程。
  
  Init_task()（PID为0）在创建了init进程后，调用cpu_idle()演变成idle进程，执行一次调度后，init进程运行。1号内核线程负责执行内核的部分初始化工作及进行系统配置，最后调用do_execve加载init程序，演变成init进程（用户态1号进程），init进程是内核启动的第一个用户态进程。Kthreadd（PID为2）进程由0号进程创建，始终运行在内核空间，负责所有内核线程的调度和管理。