网易云课堂-----Linux内核分析-----期末主观题

Posted 2020-09-11

王康 + 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

下面是对8个课题的总结

　　 1. 图解分析汇编代码以及理解计算机是如何工作的

       冯诺依曼体系结构的计算机，又叫存储程序计算机，从硬件的角度来看，其工作模型是CPU依次读取内存中的指令来完成工作。这节课详细介绍了CPU计算模块、寄存器和内存是如何配合工作的。

       2. 基于mykernel的一个简单的时间片轮转多道程序内核代码分析

       mykernel是由老师建立的一个用于开放自己的操作系统的内核平台，它基于Linux Kernel 3.9.4 source code。通过本讲的学习和实验，我们知道操作系统的核心功能就是：进程调度和中断机制，通过与硬件的配合实现多任务处理，再加上上层应用软件的支持，最终变成可以使用户可以很容易操作的计算机系统。还了解到进程的调度和时间中断的概念。知道了一个进程在内核中，被描述为一个结构体，储存了进程的pid，运行状态，堆栈，以及sp和ip等重要信息。通过分析my_schedule的汇编代码，了解到了进程切换的关键过程。我们可以认为一个进程相当于一个堆栈，每个进程有自己的堆栈空间。如果将ebp和esp修改为另一个进程的ebp和esp，并且完成一些寄存器的保存，就相当于完成的进程的切换。

       3. 使用gdb跟踪Linux内核启动过程

       start_kernel()是内核的汇编与Ｃ语言的交接点，在该函数以前，内核的代码都是用汇编写的，完成一些最基本的初始化与环境设置工作。start_kernel就像是c代码中的main函数。不管你关注Linux的内核模块，总是离不开start_kernel函数的，因为大部分模块的初始化工作都是在start_kernel中完成的。按照这节课的实验步骤，跟踪Linux内核的启动过程。通过自己编译内核源码，并且调试了启动过程，了解到内核在启动时经历了哪些初始化。内核几乎所有的初始化都是在start_kernel进行的，在start_kernel之前主要是汇编代码完成的一些操作。在start_kernel中会初始化中断向量，内存管理模块，调度模块等一系列初始化。在最后的rest_init()中会初始化0号进程和1号用户态进程，然后最终启动系统。

       4. 使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码两种方式使用同一个系统调用

       即便是最简单的程序，也难免要用到诸如输入、输出以及退出等操作，而要进行这些操作则需要调用操作系统所提供的服务，也就是系统调用。除非你的程序只完成加减乘除等数学运算，否则将很难避免使用系统调用。在 Linux 平台下有两种方式来使用系统调用：利用封装后的 C 库（libc）或者通过汇编直接调用。这节课介绍了系统调用的概念，以及如何使用系统调用。

       5. 分析system_call中断处里过程

       通过gdb我们可以给系统调用内核处里程序如sys_write, sys_time设置断点，并让程序停在断点处，进行断点跟踪系统调用处里过程。由于system_call是完全用汇编写就一个的函数，虽然我们也可以在system_call处设置断点，但却无法让系统停在system_call处，所以也无法通过单步跟踪学习其处里流程。但system_call是所有系统调用的入口，也是程序由用户态转入内核态执行时无法越过的一个函数，其重要性不言而喻，所以我们跟随老师简化的汇编代码以及源代码学习其主要的流程。

       6. 进程的描述和进程的创建

       为了管理进程，内核必须对每个进程进行清晰的描述，进程描述符提供了内核所需了解的进程信息。在Linux应用程序的开发中，可以通过fork、vfork和clone等API来创建一个子进程，它们在Linux内核中对应的系统调用分别为sys_fork、sys_vfork和sys_clone函数，而这些函数最终都会调用do_fork完成子进程的创建。do_fork主要是复制了父进程的task_struct，然后修改必要的信息，从而得到子进程的task_struct。

       7. Linux内核如何装载和启动一个可执行程序

       Linux系统可以通过execve API启动一个新进程，该API又呼叫sys_execve系统调用，负责将新的程序代码和数据替换到新的进程中，打开可执行 文件，载入依赖的库文件，申请新的内存空间，最后执行 start_thread(regs, elf_entry, bprm->p) ，设置 new_ip, new_sp ，完成新进程的代码和数据替换，然后返回，接下来就是执行新的进程代码了。

       8. Linux中进程调度与进程切换过程

       Linux系统的一般执行过程，最一般的情况是：正在运行的用户态进程X切换到运行用户态进程Y的过程要经过以下步骤

       1). 正在运行的用户态进程X

       2). 发生中断：save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack, then load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).

       3). SAVE_ALL //保存现场，这里是已经进入内核中断处里过程

       4). 中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch_to做了关键的进程上下文切换

       5). 标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过因此可以从标号1继续执行)

       6). restore_all //恢复现场

       7). iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack

       8). 继续运行用户态进程Y

       总结:这学期选了Linux课程，第一堂课老师就说了这个课要跟网上学习结合在一起，虽然之前也听说过网上学习，但自己还没有亲身经历过，而老师给我们介绍了一个很好的平台。对于翻转课堂的混合式教学，我真的和受益，首先，我们在网上跟随课程进度进行对课程的基本了解，而课后独自思考之后，再找出自己有所疑惑的地方找老师进行答疑，这样可以让我对课程形成 自己的认识。通过这门课，也让我了解到了mooc这个学习平台，这使我不仅仅学到了linux，更给了我一个学自己感兴趣的课程的机会，而且mooc课程属于云资源，可以进行缓存，这使得学习安排很自由。另外，mooc提供了很好的教学方法，每一周的任务都很清楚，而且作业量也也很适当，还有一个每一周的测试，可以让自己及时的总结和衡量自己一周学习的内容和知识，不懂的地方也可以在论坛发帖，和老师同学们一起讨论。还有就是实验楼这个网络实验平台了，这个平台给我莪们提供了非常大的便利，让我们不用在做实验的时候还在电脑上专门装一个虚拟机，而且可以根据实验内容设定实验楼环境，针对性较强。不得不说通过mooc，实验楼和老师的翻转课堂，我真的受益良多。提到收获，那么最大的就应该是自学能力的提升了。俗话说师父领进门，修行在个人。老师在这门课中扮演的是引路人的角色，而这条路走得好不好主要还是看我们努力修行的够不够。通过不断地学习、总结、测验，让我收获了很多很好的学习方法，而在今后的学习生活中，这些经历可以使我更快的进入状态，少走一些弯路。当然，我还有很多不足之处，比如没有将遇到的问题及时反馈，而形成了一些错误的认识，这对于我之后的学习形成了很大的阻碍。在我看来，提出问题的能力固然重要，但是出现问题之后，解决问题的能力也是必不可少的。今后我会将这种感悟应用在生活之中。