2019-2020-1 20199308《Linux内核原理与分析》第四周作业

《Linux内核分析》

第三章 MenuOS的构造

3.1 Linux内核源代码简介

• 操作系统的“两把宝剑”
  • 中断上下文：保存现场和恢复现场
  • 进程上下文
• 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，里面分门别类的存放了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（file system），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（各种CPU体系结构共用的）头文件
  • init：存放Linux内核启动时的初始化代码
    注：init目录中的main.c源文件是整个Linux内核启动的起点，但它的起点不是main函数，而是start_kernel函数
  • ipc：Linux支持的IPC的代码实现（IPC：进程间通信，inter-process communication）
  • kernel：Linux内核，存放内核本身需要的一些核心代码文件
  • lib：公用的库文件，里面是一些公用的库文件（与C语言的库函数不一样）
  • mm：内存管理memoty management，存放Linux的内存管理代码
  • net：网络相关的代码
• 在开发一个软件项目时，一般会在项目根目录下写一个readme文件
• 编译配置Linux内核的关键步骤
  • 1.编译安装内核大概步骤
    • 安装开发包组
    • 下载源码文件
    • .config：准备配置文件
    • make menuconfig：配置内核有选项
    • 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文件
    • 编辑grub的配置文件
  • 2.编译配置选项
    • 配置内核选项
    • 支持“更新”模式进项配置：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curses的文本窗口界面
      • 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
    • 支持“全新配置”模式进行配置
      • make difconfig：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#]

3.2 构造一个简单的Linux内核

• 构建Linux系统MenuOS在实验楼平台上运行
• 代码：

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

• 运行截图：

3.3跟踪调试Linux内核的启动过程

• 用以下命令启动内核，冻结起来

$ 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

• 水平分割，启动gdb，把内核加载进来，建立连接。

# 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 

• 再设置一个断点rest_init，继续执行，停在断点处。

分析关键的函数

• start_kernel函数的执行过程

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);// 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();
    // ...
    trap_init();                          // 中断向量的初始化
    mm_init();                            // 内存模块的初始化
    sched_init();                         // 调度模块的初始化
    // ...
    rest_init();                          // rest_init是0号进程（是使用宏初始化的），它创建1号进程init和其他的一些服务进程
}