LINUX内核分析第三周学习总结——构造一个简单的Linux系统MenuOS

张忻(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

一、使用gdb跟踪调试内核从start_kernel到init进程启动

使用实验楼的虚拟机打开shell

cd LinuxKernel/
qemu -kernel linux-3.18./arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

内核启动完成后进入menu程序,支持三个命令help、version和quit。

qemu -kernel linux-3.18./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:: 若不想使用1234端口,则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项

现在系统是stop的状态,如下图:

按c后系统开始运行,启动到start_cernel的位置,如下:

list之后看到执行的位置

再设一个断点,系统执行到rest_init的位置,如下:

二、详细分析从start_kernel到init进程启动的过程

start_kernel函数的执行过程

代码在init目录下的main.c

500asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
char *command_line;
char *after_dashes; /*
506 * Need to run as early as possible, to initialize the
507 * lockdep hash:
508 */
lockdep_init();
set_task_stack_end_magic(&init_task); init_task即手工创建的PCB,0号进程即最终的idle进程。
smp_setup_processor_id();
debug_objects_early_init(); /*
515 * Set up the the initial canary ASAP:
516 */
boot_init_stack_canary(); cgroup_init_early(); local_irq_disable();
early_boot_irqs_disabled = true; /*
525 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
526 * enable them
527 */
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(); /* arch-specific boot-cpu hooks */ 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,
-, -, &unknown_bootoption);
if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, , -, -,
set_init_arg); jump_label_init(); /*
554 * These use large bootmem allocations and must precede
555 * kmem_cache_init()
556 */
setup_log_buf();
pidhash_init();
vfs_caches_init_early();
sort_main_extable();
trap_init(); 涉及到中断的初始化
mm_init(); /*
565 * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the
566 * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()
567 * time - but meanwhile we still have a functioning scheduler.
568 */
sched_init();
/*
571 * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
572 * fragile until we cpu_idle() for the first time.
573 */
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();
/* init some links before init_ISA_irqs() */
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(); /*
603 * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before
604 * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of
605 * this. But we do want output early, in case something goes wrong.
606 */
console_init();
if (panic_later)
panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
panic_param); lockdep_info(); /*
615 * Need to run this when irqs are enabled, because it wants
616 * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs
617 * too:
618 */
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 = ;
}
#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
/* Should be run before the first non-init thread is created */
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();
/* rootfs populating might need page-writeback */
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(); /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
rest_init();
}

不管分析内核的哪一部分都会涉及到start_cernel。

(1)561 trap_init();

涉及到中断的初始化

只需查看 /linux-3.18.6/arch/x86/kernel/

其中设置了很多中断门。

设置系统陷阱门:

    set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);
set_bit(SYSCALL_VECTOR, used_vectors);

(2)562 mm_init();

系统管理模块;

(3)569 sched_init();

调度模块;

(4)680 rest_init();

403 kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);

kernel_init里:

    if (ramdisk_execute_command) {
ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);
if (!ret)
return ;
pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n",
ramdisk_execute_command, ret);
}

以上创建用户态的一号进程

405 pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);

以上创建内核线程

    /* Call into cpu_idle with preempt disabled */
cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);

418行函数 具体代码为:

256void cpu_startup_entry(enum cpuhp_state state)
{
/*
259 * This #ifdef needs to die, but it's too late in the cycle to
260 * make this generic (arm and sh have never invoked the canary
261 * init for the non boot cpus!). Will be fixed in 3.11
262 */
#ifdef CONFIG_X86
/*
265 * If we're the non-boot CPU, nothing set the stack canary up
266 * for us. The boot CPU already has it initialized but no harm
267 * in doing it again. This is a good place for updating it, as
268 * we wont ever return from this function (so the invalid
269 * canaries already on the stack wont ever trigger).
270 */
boot_init_stack_canary();
#endif
arch_cpu_idle_prepare();
cpu_idle_loop();
}

其中第274行函数代码实现0号进程

当系统没有进程需要执行时就调度到idle进程。

(5)回顾总结

start_kernel启动时,0号进程——rest_init()会一直存在。0号进程创建了1号进程kernel_init()。

三、总结

对“Linux系统启动过程”的理解。

task 0 的进程结构(task_struct init_task)由INIT_TASK宏静态定义。该结构体(init_task)在linux 启动时被设置为current_task。当初始化到rest_init函数中时,通过kernel_thread函数启动第一个内核线程 kernel_init。kernel_init再通过do_execve启动/sbin/init。这就是我们看到的init进程,进程号为1。初始化 的最后linux调用scheule()整个系统就运行起来了。

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