跟踪分析Linux内核的启动过程
于佳心 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
在之前的课程中，我们学习了操作系统的三个法宝（存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制），以及两把剑（中断上下文切换和进程上下文切换），而这节课我们的实验主要围绕的是中断机制
在此之前我们首先了解了Linux内核源代码，这其中有几个重要的代码：
arch目录下的代码十分庞大，而arch/x86目录下的代码很重要
init/main.c是内核启动相关代码，Linux内核的起点是start-kernel，相当于普通c程序中的main函数
kernel/里装的是进程调度相关代码
其他还有很多目录和代码，在此不做详述
接下来构造一个MenuOs，就是实验里的内容
- cd LinuxKernel/
- qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img
在实验楼里只要输入这两行代码就可以了
下面附上使用自己的Linux系统环境搭建MenuOS的过程
- # 下载内核源代码编译内核
- cd ~/LinuxKernel/
- wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.18.6.tar.xz
- xz -d linux-3.18.6.tar.xz
- tar -xvf linux-3.18.6.tar
- cd linux-3.18.6
- make i386_defconfig
- make # 一般要编译很长时间，少则20分钟多则数小时
- # 制作根文件系统
- cd ~/LinuxKernel/
- mkdir rootfs
- git clone https://github.com/mengning/menu.git # 如果被墙，可以使用附件menu.zip
- cd menu
- gcc -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static –lpthread
- cd ../rootfs
- cp ../menu/init ./
- find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img
- # 启动MenuOS系统
- cd ~/LinuxKernel/
- qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img
- 重新配置编译Linux使之携带调试信息
- 在原来配置的基础上，make menuconfig选中如下选项重新配置Linux，使之携带调试信息
-
- kernel hacking—>
- [*] compile the kernel with debug info
- make重新编译（时间较长）
MenuOs构建成功
打开目录
其中linux-3.18.6是内核源代码，rootfs储存可执行文件（用menu编译好的可执行文件存储在里面）
- 使用gdb跟踪调试内核
- 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 freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)
- # -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
其中-S是指让CPU在执行前冻结，-s是指在1234端口创建gdp server
另开一个shell窗口
- 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
将断点设置在start-kernel之前
程序就只执行到start-kernel
输入list，可以看到start-kernel的代码
同理，设置一个rest-init的断点，程序执行到rest-init，输入list，可以看到rest-init的代码
通过这次实验我们发现，不管分析内核的哪一部分都会涉及到start-kernel。
下面我们来分析一下start-kernel
这里面有一个init_task，它是手工创建的PCB
trap_init 初始化中断--》set-system-trap-gate（SYSCALL_VECTOR,&system_call）设置系统陷阱门，其中SYSCALL_VECTOR是系统调用，系统调用也是一种中断，只是用指令来触发
start-kernel里还有很多模块
mm_init() 内存管理模块
sched_init() 调度模块
rest_init() 其他 -->kernel-init-->run-init-process是系统的一号进程，默认根目录下的init
kthreadd用一个内核进程来管理资源
-->call into cpu-idle
-->cpu-idle-loop
idle即是系统的0号进程，上面的指令是循环0号进程
当系统没有进程需要执行时就调度0号进程
rest-init在程序启动时就一直存在，创造了1号进程和内核进程
总结：这一次课程的内容有点难，有些地方没有弄懂。idle即是0号进程，关于0号进程和1号进程，所谓道生一（start_kernel....cpu_idle），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）。