2020-2021-1 20209326 《Linux内核原理与分析》第四周作业

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• [toc]一、实验内容:跟踪分析Linux内核的启动过程
  • 实验楼进行实验
    • 1.启动linux内核
    • 2.另开一个shell窗口调试
    • 3.函数分析
      • ①.start_kernel函数代码
      • ②.代码分析
  • 参照课本使用自己的Linux系统搭建MenuOS的过程
    • 1.下载内核源码（Linux-3.18.6),解压并编译
    • 2.制作根文件系统
    • 3.对内核进行跟踪调试
    • 4.跟踪调试Linux内核的启动过程
• 二总结
  • 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。
  • 2.linux目录结构：
  • 3.Linux系统0号进程，1号进程，2号进程的产生及作用：

一、实验内容:跟踪分析Linux内核的启动过程

实验楼进行实验

1.启动linux内核

$ cd ~/LinuxKernel/
$ qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S 
# 关于-s和-S选项的说明：
# 1. -S
#   -S freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)
# 2. -s
#   -s shorthand for -gdb tcp::1234 
# 若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项

2.另开一个shell窗口调试

# 打开 GDB 调试器
$ gdb

# 在 GDB 中输入以下命令：

# 在gdb界面中targe remote之前加载符号表
（gdb）file linux-3.18.6/vmlinux 

# 建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行
（gdb）target remote:1234

# 断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后
（gdb）break start_kernel 

3.函数分析

①.start_kernel函数代码

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

	/*
	 * Need to run as early as possible, to initialize the
	 * lockdep hash:
	 */
	lockdep_init();
	set_task_stack_end_magic(&init_task);
	smp_setup_processor_id();
	debug_objects_early_init();

	/*
	 * Set up the the initial canary ASAP:
	 */
	boot_init_stack_canary();

	cgroup_init_early();

	local_irq_disable();
	early_boot_irqs_disabled = true;

/*
 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
 * enable them
 */
	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
", 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();

	/*
	 * These use large bootmem allocations and must precede
	 * kmem_cache_init()
	 */
	setup_log_buf(0);
	pidhash_init();
	vfs_caches_init_early();
	sort_main_extable();
	trap_init();
	mm_init();

	/*
	 * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the
	 * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()
	 * time - but meanwhile we still have a functioning scheduler.
	 */
	sched_init();
	/*
	 * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
	 * fragile until we cpu_idle() for the first time.
	 */
	preempt_disable();
	if (WARN(!irqs_disabled(),
		 "Interrupts were enabled *very* early, fixing it
"))
		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
");
	early_boot_irqs_disabled = false;
	local_irq_enable();

	kmem_cache_init_late();

	/*
	 * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before
	 * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of
	 * this. But we do want output early, in case something goes wrong.
	 */
	console_init();
	if (panic_later)
		panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
		      panic_param);

	lockdep_info();

	/*
	 * Need to run this when irqs are enabled, because it wants
	 * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs
	 * too:
	 */
	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.
",
		    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
	/* 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();
}

②.代码分析

init_task相当于第一个进程的PCB,在start_kernel函数中进行初始化；
trap_init初始化中断向量；
mm_init内存管理模块的初始化；
sched_init调度模块的初始化；
rest_init是0号进程，它创建了1号进程init和其他一些服务进程。

参照课本使用自己的Linux系统搭建MenuOS的过程

1.下载内核源码（Linux-3.18.6),解压并编译

mkdir LinuxKernel
cd LinuxKernel
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.18.6.tar.xz
ll
xz -d linux-3.18.6.tar.xz
tar -xvf linux-3.18.6.tar
cd linux-3.18.6
make i386_defconfig
make

wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.18.6.tar.xz 遇到问题

域名解析失败,参照博客,DNS的设置没有问题，是主机名解析失败，在hosts里配置一下即可解决:

vim /etc/resolv.conf
nameserver 8.8.8.8 #google域名服务器
nameserver 8.8.4.4 #google域名服务器

make时遇到compile-gcc的版本问题

参照同学的解决方法将compiler-gcc5.h重命名为compiler-gcc9.h，编译通过

2.制作根文件系统

mkdir rootfs
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
gcc -pthread -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static
cd ../rootfs
cp ../menu/init ./
find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img

gcc -pthread -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static 时遇到问题：

参照博客,环境没有完善

sudo apt-get install gcc-multilib 

3.对内核进行跟踪调试

sudo apt-get install libncurses5-dev
make menuconfig
make

4.跟踪调试Linux内核的启动过程

下载安装qemu虚拟机

sudo apt-get install qemu

出现错误，参考马铸鸿、李志成同学的博客,安装qemu-system-i386，使用qemu-system-i386指令替换qemu指令，或者建立一条软链接使用qemu

sudo apt-get install qemu-system-i386
sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu

启动内核

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -S -s//-S:CPU初始化之前冻结起来;-s:在1234端口上创建了一个gdb-server

再打开一个窗口，启动gdb,把内核加载进来，建立连接。

file linux-3.18.6/vmlinux  
target remote:1234  //用1234这个端口进行连接

在start_kernel处设置断点break start_kernel

c继续执行

在rest_init处设置断点，后执行

break rest_init
c

二总结

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。

2.linux目录结构：

arch：与体系结构相关的子目录列表，存放CPU体系结构的相关代码；
block：存放Linux存储系统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：存放文档；
drivers:驱动目录，分门别类的存放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，列出Linux支持的各种文件系统的实现；
init：存放Linux内核启动时的初始化代码；
ipc：进程间通信；
kernel：内核，存放内核本身需要的核心代码；
lib:公用的库文件；
mm：内存管理；
net：网络相关的代码；

3.Linux系统0号进程，1号进程，2号进程的产生及作用：

0号进程：init_task（）在创建init进程后，调用cpu_idle()演变成了idle进程，执行1次调度后，init进程运行。init进程是唯一一个没有通过fork()产生的进程。
1号进程：1号内核进程kernel_init（），由0号进程创建，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，演变为init进程（用户态1号进程），该进程是其他所有用户进程的祖先进程。
2号进程：kthreadd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。