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  • 2020-2021-1 20209312《Linux内核原理与分析》第四周作业

    一. 跟踪Linux内核的启动过程

    1.操作系统的两把宝剑和三大法宝

    两把宝剑

    一把是中断上下文的切换——保存现场和恢复现场

    另一把是进程上下文的切换

    三大法宝

    存储程序计算机

    函数调用堆栈机制

    中断

    2.跟踪分析Linux内核的启动过程

    构建Linux系统MenuOS

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

    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:
    # 1. -S
    #   -S freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)
    # 2. -s
    #   -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

    # 打开 GDB 调试器
    gdb
    
    # 在 GDB 中输入以下命令:
    
    # 在gdb界面中targe remote之前加载符号表
    (gdb)file linux-3.18.6/vmlinux 
    
    # 建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行
    (gdb)target remote:1234
    
    # 断点的设置可以在target remote之前,也可以在之后
    (gdb)break start_kernel 

    重新开一个shell 输入如下命令:

    cd ~/LinuxKernel/

    开启gdb调试 命令如上设置断点 在start_kernel处 然后命令:c 开始调试

    使用list命令,可以看到start_kernel函数的上下文

    start_kernel函数:

    asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
    {
        char *command_line;
        char *after_dashes;
    
        /*
         * Need to run as early as possible, to initialize the
         * lockdep hash:
         */
        lockdep_init();
        set_task_stack_end_magic(&init_task);
        smp_setup_processor_id();
        debug_objects_early_init();
    
        /*
         * Set up the the initial canary ASAP:
         */
        boot_init_stack_canary();
    
        cgroup_init_early();
    
        local_irq_disable();
        early_boot_irqs_disabled = true;
    
    /*
     * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
     * enable them
     */
        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
    ", boot_command_line);
        parse_early_param();
        after_dashes = parse_args("Booting kernel",
                      static_command_line, __start___param,
                      __stop___param - __start___param,
                      -1, -1, &unknown_bootoption);
        if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
            parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,
                   set_init_arg);
    
        jump_label_init();
    
        /*
         * These use large bootmem allocations and must precede
         * kmem_cache_init()
         */
        setup_log_buf(0);
        pidhash_init();
        vfs_caches_init_early();
        sort_main_extable();
        trap_init();
        mm_init();
    
        /*
         * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the
         * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()
         * time - but meanwhile we still have a functioning scheduler.
         */
        sched_init();
        /*
         * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
         * fragile until we cpu_idle() for the first time.
         */
        preempt_disable();
        if (WARN(!irqs_disabled(),
             "Interrupts were enabled *very* early, fixing it
    "))
            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
    ");
        early_boot_irqs_disabled = false;
        local_irq_enable();
    
        kmem_cache_init_late();
    
        /*
         * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before
         * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of
         * this. But we do want output early, in case something goes wrong.
         */
        console_init();
        if (panic_later)
            panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
                  panic_param);
    
        lockdep_info();
    
        /*
         * Need to run this when irqs are enabled, because it wants
         * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs
         * too:
         */
        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.
    ",
                page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),
                min_low_pfn);
            initrd_start = 0;
        }
    #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();
    }

    开启gdb调试 命令如上设置断点 在rest_init处 然后命令:c 开始调试

    使用list命令,可以看到rest_init函数的上下文

    rest_init函数:

    static noinline void __init_refok rest_init(void)
    {
        int pid;
    
        rcu_scheduler_starting();
        /*
         * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however
         * the init task will end up wanting to create kthreads, which, if
         * we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.
         */
        kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
        numa_default_policy();
        pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
        rcu_read_lock();
        kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
        rcu_read_unlock();
        complete(&kthreadd_done);
    
        /*
         * The boot idle thread must execute schedule()
         * at least once to get things moving:
         */
        init_idle_bootup_task(current);
        schedule_preempt_disabled();
        /* Call into cpu_idle with preempt disabled */
        cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
    }

    关于函数的解释:

    setup_arch(&command_line);   //设置与初始化硬件体系相关的环境并调用
    
    sched_init()                 //初始化调度器,先于中断开始前
    
    printk(boot_command_line);   //提取分析核心启动参数过程(从
    bootloader 中传递)
    
    trap_init();                  //自陷入口函数初始化,针对此版本arm中直接return
    
    early_irq_init();              //中断初始化过程
    
    init_IRQ();          
    
    init_timers();                //初始化定时器,开启定时器软中断服务以及注册服务程序以及初始化各CPU中的tev_base等init_timers()->run_timer_softirq()->__run_timers() 
    
    timekeeping_init(); 
    
    time_init(); //设置定时器及返回当前时间
    console_init() //初步的初始化控制台,此控制台只能打印出一些简单//的启动信息…
    
    mem_init(); //初始化内存并计算可用内存大小
    
    kmem_cache_init(); // 初始化SLAB缓存分配器
    
    calibrate_delay(); //延迟校准,jiffy,记录系统的定时器的节拍数,每变化一次代表了系统定时器2个连续节拍时间的间隔。
    
    fork_init(num_physpages); //初始化max_threads,init_task参数为fork()提供参考
    
    buffer_init(); //初始化块设备读写缓冲区
    
    vfs_caches_init(num_physpages);   //初始化虚拟文件系统 
    
    inode_init() ->files_init() ->mnt_init()...
    
    signals_init(); //初始化内核信号队列….
    
    rest_init(); //最后实际进入reset_init()函数,包括所有剩下的硬件//驱动,线程初始化等过程…这也最终完成//start_kernel//的启动过程。

    3.分析结果

      start_kernel()函数在main.c中起着main函数的作用,打开系统以后,首先对硬件系统进行初始化,给C代码的运行配置好环境,start_kernel函数被调用,在start_kernel函数在开始运行后,它会调用各个内核模块的初始化函数,主要包括:trap_init()中断向量初始化,mm_init()内存管理初始化,sched_init()调度模块初始化等,在整个的初始化过程中有一个init_task,它是一个进程描述符,负责内核模块的初始化,也就是0号进程,0号进程会新建kernel_init线程(1号内核线程)和kthreadd线程(2号内核线程),初始化工作完成后,init_task()调用cpu_idle()转化为ideal空进程。

      0号进程由系统自动创建, 运行在内核态,其前身是系统创建的第一个进程,也是唯一一个没有通过fork或者kernel_thread产生的进程。完成加载系统后,演变为进程调度、交换。

      1号进程由idle通过kernel_thread创建,在内核空间完成初始化后,加载init程序,由0进程创建,完成系统的初始化,是系统中所有其它用户进程的祖先进程。Linux中的所有进程都是有init进程创建并运行的。首先Linux内核启动,然后在用户空间中启动init进程,再启动其他系统进程。在系统启动完成完成后,init将变为守护进程监视系统其他进程。

      2号进程由idle通过kernel_thread创建,并始终运行在内核空间, 负责所有内核线程的调度和管理。它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数,该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入到此链表中,因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程。

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