《Linux内核分析》第三周 构建一个简单的Linux系统MenuOS

Posted 2020-06-19 司马欧阳

【刘蔚然 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 】

WEEK THREE（2.29——3.6）构造一个简单的Linux系统MenuOS

SECTION 1 Linux内核源代码简介

1.操作系统的两把宝剑（回顾上一讲）

1. 中断上下文的切换——保存现场&恢复现场
2. 进程上下文的切换

2.Linux内核源代码简介

1. 打开内核源代码页面
   • arch/目录：支持不同CPU的源代码；其中的X86是重点
   • init/目录：内核启动相关的代码基本都在该目录中（比如main.c等）
     • start_kernel函数就相当于普通C程序的main函数
   • kernel/目录：Linux内核核心代码在kernel目录中
2. README
   • 介绍了什么是Linux，Linux能够在哪些硬件上运行，如何安装内核源代码等

SECTION 2 构造一个简单的Linux系统MenuOS

1.init是第一个用户态进程

2.实验楼环境下的实验步骤

1. 进入实验楼，输入$ cd LinuxKernel
2. 其中，Linux-3.18.6是最新版本的Linux系统。rootfs是含有init函数的文件，生成的是rootfs.img
3. 直接启动kernel。其中 -initrd(指明一个根文件系统) rootfs。我们尝试着输入命令help，可以看到这个系统也会给出有关help命令的参数及说明（虽然比较少哈）
   • （）
   • （）
4. 启动gdb调试
   • （）
   • 关于参数 - s，- S：
     • - S是指在CPU初始化之前（刚启动的时候）将其冻结
     • - s是指在1234这个端口上创建的gdb server
5. 用水平分割另外打开一个shell窗口之后，进行调试
   • 输入gdb之后，gdb即被打开；
   • 加载Linux符号表；
   • 连接到刚刚被冻结的Linux系统；
   • 可以设置断点（break),格式为：break [函数名]（此时系统还是被冻结而并没有启动的）；
   • （）
   • 设置完断点之后，输入c命令continue（继续执行），函数会停在断点处（如图）；
   • 输入list指令之后，可以详细地查看函数停留的位置（比如断点在startkernel处的话停留在501行，而断点设置为restinit之后就停留在394行）；
   • （
   • 
   • ）

3. 简单分析一下start_kernel

分析一下Linux系统是如何启动的：

1. 参考
   • http://codelab.shiyanlou.com/xref/linux-3.18.6/init/main.c代码库代码
   • http://blog.csdn.net/hardy_2009/article/details/7383815CSDN博客

2. 代码节选（分析见注释） 不管分析内核的那一部分都会涉及到start_kernel；因为几乎所有的模块在启动的时候都是通过调用init函数来启动的

   500asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
   501{
   502 char *command_line;
   503 char *after_dashes;
   504
   505 /*
   506  * Need to run as early as possible, to initialize the
   507  * lockdep hash:
   508  */
   509 lockdep_init();
   510 set_task_stack_end_magic(&init_task);//init_task即手工创建的PCB，0号进程及最终的idle进程
   511 smp_setup_processor_id();
   512 debug_objects_early_init();
   513
   514 /*
   515  * Set up the the initial canary ASAP:
   516  */
   517 boot_init_stack_canary();
   518
   519 cgroup_init_early();
   520
   521 local_irq_disable();
   522 early_boot_irqs_disabled = true;
   523
   524/*
   525 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
   526 * enable them
   527 */
   528 boot_cpu_init();
   529 page_address_init();
   ……
   setup_log_buf(0);
   558 pidhash_init();
   559 vfs_caches_init_early();
   560 sort_main_extable();
   561 trap_init();//初始化中断向量。跟踪此函数，见下方解释
   562 mm_init();
   ……      
   677 ftrace_init();
   678
   679 /* Do the rest non-__init\'ed, we\'re now alive */
   680 rest_init();//跟踪此函数，见下方解释
   681}
   

   • 点击追踪561行的trapinit函数，找到x86对应的trapinit函数，可以看到其中设置了很多断点。
   • （）

   • setintrgate就是set interrupt（设置断点）的意思；从图中也可以看到，程序中设置了很多不同的硬件中断。其中，第839行的系统陷阱门就是我们重点关注的系统调用。

   • restinit中有kernelthread函数：

   • （）
   • 此函数中有一个函数参数kernel_init：
   • （）
   • run_init函数是系统的1号进程，用户态的第一个进程；
   • 创建了一号进程后，kernel_thread函数通过405行的kthreadd管理线程；
   • 由cpustartupentry(CPUHPONLINE);——>cpuidleloop();——>static void cpuidle_loop(void)：
     • cpuidleloop中有一个while循环，当start_kernel启动之后，她就一直存在。当系统没有进场需要执行的时候就调度到idle进程。
3. 总结
   • kernelthread是0号进程，它创建了1号进程kernelinit，以及它的一些服务的内核线程，这样整个系统及启动起来了；
   • 然后init进程会再启动一些进程。
   • 道生一，一生二，二生三，三生万物。系统就这样运行起来了
   • 根据CSDN中博客的系统阐述，来龙去脉更加深邃
     • inittask进程在Linux中属于一个比较特殊的进程，它是内核开发者人为制造出来的，而不是其他进程通过dofork来完成【这是系统在通电之后就会加载的数据结构struct】
     • Linux在无进程概念的情况下将一直从初始化部分的代码执行到startkernel，然后再到其最后一个函数调用restinit【这一点也是和视频中推的是一致的】
     • 从restinit开始，Linux开始产生进程，因为inittask是静态制造出来的，pid=0，它试图将从最早的汇编代码一直到startkernel的执行都纳入到inittask进程上下文中。在restinit函数中，内核将通过下面的代码产生第一个真正的进程(pid=1)，也就是 kernelthread(kernelinit, NULL, CLONEFS | CLONE_SIGHAND);【0号进程创建1号进程】
     • 此时init_task的任务基本上已经完全结束了，它将沦落为一个idle task【很符合操作系统精简一切不必要支出的特征】
     • 事实上在更早前的schedinit（）函数中，通过initidle(current, smpprocessorid())函数的调用就已经把inittask初始化成了一个idle task，initidle函数的第一个参数current就是&inittask，在initidle中将会把inittask加入到cpu的运行队列中，这样当运行队列中没有别的就绪进程时，inittask（也就是idle task)将会被调用，它的核心是一个while(1)循环，在循环中它将会调用schedule函数以便在运行队列中有新进程加入时切换到该新进程上。【这样就保证了系统可以随时迎接新进程而不至于卡壳】