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

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

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

图3 将断点设置到start_kernal

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

（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、分析从start_kernel到init进程启动

在init目录下的main.c有函数 
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); 
-->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。

分析start_kernel函数的执行过程

如图所示，第500行代码有start_kernel函数

start_kernel函数的源代码如下：

 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);
    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();
    530 pr_notice("%s", linux_banner);
    531 setup_arch(&command_line);
    532 mm_init_cpumask(&init_mm);
    533 setup_command_line(command_line);
    534 setup_nr_cpu_ids();
    535 setup_per_cpu_areas();
    536 smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */
    537
    538 build_all_zonelists(NULL, NULL);
    539 page_alloc_init();
    540
    541 pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line);
    542 parse_early_param();
    543 after_dashes = parse_args("Booting kernel",
    544               static_command_line, __start___param,
    545               __stop___param - __start___param,
    546               -1, -1, &unknown_bootoption);
    547 if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
    548     parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,
    549            set_init_arg);
    550
    551 jump_label_init();
    552
    553 /*
    554  * These use large bootmem allocations and must precede
    555  * kmem_cache_init()
    556  */
    557 setup_log_buf(0);
    558 pidhash_init();
    559 vfs_caches_init_early();
    560 sort_main_extable();
    561 trap_init();
    562 mm_init();
    563
    564 /*
    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  */
    569 sched_init();
    570 /*
    571  * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
    572  * fragile until we cpu_idle() for the first time.
    573  */
    574 preempt_disable();
    575 if (WARN(!irqs_disabled(),
    576      "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))
    577     local_irq_disable();
    578 idr_init_cache();
    579 rcu_init();
    580 context_tracking_init();
    581 radix_tree_init();
    582 /* init some links before init_ISA_irqs() */
    583 early_irq_init();
    584 init_IRQ();
    585 tick_init();
    586 rcu_init_nohz();
    587 init_timers();
    588 hrtimers_init();
    589 softirq_init();
    590 timekeeping_init();
    591 time_init();
    592 sched_clock_postinit();
    593 perf_event_init();
    594 profile_init();
    595 call_function_init();
    596 WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n");
    597 early_boot_irqs_disabled = false;
    598 local_irq_enable();
    599
    600 kmem_cache_init_late();
    601
    602 /*
    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  */
    607 console_init();
    608 if (panic_later)
    609     panic("Too many boot %s vars at `%s‘", panic_later,
    610           panic_param);
    611
    612 lockdep_info();
    613
    614 /*
    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  */
    619 locking_selftest();
    620
    621#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
    622 if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
    623     page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {
    624     pr_crit("initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - disabling it.\n",
    625         page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),
    626         min_low_pfn);
    627     initrd_start = 0;
    628 }
    629#endif
    630 page_cgroup_init();
    631 debug_objects_mem_init();
    632 kmemleak_init();
    633 setup_per_cpu_pageset();
    634 numa_policy_init();
    635 if (late_time_init)
    636     late_time_init();
    637 sched_clock_init();
    638 calibrate_delay();
    639 pidmap_init();
    640 anon_vma_init();
    641 acpi_early_init();
    642#ifdef CONFIG_X86
    643 if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))
    644     efi_enter_virtual_mode();
    645#endif
    646#ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64
    647 /* Should be run before the first non-init thread is created */
    648 init_espfix_bsp();
    649#endif
    650 thread_info_cache_init();
    651 cred_init();
    652 fork_init(totalram_pages);
    653 proc_caches_init();
    654 buffer_init();
    655 key_init();
    656 security_init();
    657 dbg_late_init();
    658 vfs_caches_init(totalram_pages);
    659 signals_init();
    660 /* rootfs populating might need page-writeback */
    661 page_writeback_init();
    662 proc_root_init();
    663 cgroup_init();
    664 cpuset_init();
    665 taskstats_init_early();
    666 delayacct_init();
    667
    668 check_bugs();
    669
    670 sfi_init_late();
    671
    672 if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {
    673     efi_late_init();
    674     efi_free_boot_services();
    675 }
    676
    677 ftrace_init();
    678
    679 /* Do the rest non-__init‘ed, we‘re now alive */
    680 rest_init();
    681}

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”。

解决：需要先进入到linux-3.18.6目录下，然后再进入gdb中。

宋宸宁+ 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