Linux内核设计第三周——构造一个简单的Linux系统

Linux内核设计第三周

——构造一个简单的Linux系统

一、知识点总结

计算机三个法宝:

  • 存储程序计算机
  • 函数调用堆栈
  • 中断

操作系统两把宝剑:

  • 中断上下文的切换
  • 进程上下文的切换

linux内核源代码分析

arch/目录保存支持多种CPU类型的源代码

  • 其中的关键目录包括:Documentation、drivers、firewall、fs(文件系统)、include

init目录:含有main.c,内核启动相关的代码基本都在init目录下

  • start_kernal()函数为启动函数,初始化内核的起点。

ipc目录:进程间的通信 
kernel目录:有Linux内核的核心代码。

  • pid.c、kthread.c

lib目录:公用库文件 
mm目录:内存管理代码 
net目录:与网络相关代码 
scripts目录:与脚本相关 
security目录:与安全相关 
sound目录:与声音相关 
tools目录:与工具相关

README文件:

  • 清理中间文件: 
    cd linux
    make mrproper
  • 安装一些模块,最终执行make 
    sudo make O = /home/name/build/kernal modules 
    install install // O= output/dir
    将所选项关闭,以提高安装速度 
    make allnoconfig

二、实验过程

图1 构建Menu系统的过程

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

其中rootfs.img 为根文件系统,目前只支持help、version、quit功能。

图2 使用gdb进行调试

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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:

-S 在启动前冻结cpu(使用 ’c’ 以开始执行) 
-s 在端口1234上创建一个tcp连接 
若不想使用1234端口,则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项

图3 将断点设置到start_kernal

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gdb 
(gdb)file linux-3.18.6/vmlinux

  • 在gdb界面中targe remote之前加载符号表

(gdb)target remote:1234

  • 建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行

(gdb)break start_kernel

  • 断点的设置可以在target remote之前,也可以在之后

(gdb)c

  • 开始执行

(gdb)list

  • 列出断点位置的源代码

图4 将断点设置到rest_init

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(gdb)break rest_init

  • 断点的设置可以在target remote之前,也可以在之后

(gdb)c

  • 开始执行

(gdb)list

  • 列出断点位置的源代码

三、分析start_kernel函数的执行过程

在init目录下的main.c有函数 ,其中包含start_kernel函数

基本所有模块,都需要start_kernel来进行初始化。

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)

其中,有init_ task,set_ task_ stack_ end_ magic(&init_task);这个是手工创建的PCB,0号进程,即最终的idle进程。

trap_init();//中断向量初始化
mm_init();//内存管理模块初始化
sched_init();//调度模块初始化
console_init();//控制模块初始化
rest_init(); //其他模块初始化

其中rest_ init()调用了 
-->kernel_ thread(kernel_ init, NULL, CLONE_ FS); 调用了
-->run_ init_ process(ramdisk_ execute_ command); 
//init是第一个用户态进程,是1号进程

pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
//创建了线程

在rest_init中,各部分启动完毕后,

   /* Call into cpu_idle with preempt disabled */

cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE); 

调用static void cpu_idle_loop(void);
里面有个while(1) 也就是在系统没有进程需要执行时就调度idle进程

总结下来:在start_ kernel启动后,rest_ init的中0号进程会一直存在。

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如图所示,第500行代码有start_kernel函数

四、总结

阐明对“Linux系统启动过程”的理解。

①在start_ kernel启动后,rest_ init的中0号进程会一直存在。 
②道生一(startkernel....cpuidle),一生二(kernel_init和kthreadd),二生三(即前面0、1和2三个进程),三生万物(1号进程是所有用户态进程的祖先,2号进程是所有内核线程的祖先)

五、实验中遇到的问题

1、在gdb调试的过程中,出现了如下图所示的问题,即输入“fil e linux-3.18.6/vmlinux”后,提示“没有那个文件或目录”。

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解决:需要先进入到linux-3.18.6目录下,然后再进入gdb中。

六、附录:

start_kernel函数的源代码如下:

  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);
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(); //中断向量初始化
mm_init(); //内存管理模块初始化 /*
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(); //调度模块初始化
/*
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(); //其他模块初始化
}
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