2018-2019-1 20189205 《Linux内核原理与分析》 第四周作业

MenuOS的构造

Linux内核

本周学习了Linux内核的基本目录结构，通过qemu构建了简单的Linux内核，并利用gdb工具进行调试，了解了内核的启动过程。

• Linux的目录结构
  
• 关键的目录
  arch：与体系结构相关的子目录列表。
  block：存放Linux存储体系中关于块设备管理的代码。
  crypto：存放常见的加密算法的C语言代码。
  documentation：存放一些文档。
  drivers：驱动目录，里面分门别类地存放了Linux内核支持的所有硬件设备的驱动源代码。
  firmware：固件。
  fs：文件系统，里面列出了Linux支持的各种文件系统的实现。
  include：头文件目录，存放公共的头文件。
  init：init是初始化的意思，存放Linux内核启动时的初始化代码。
  ipc：存放Linux支持的IPC的代码实现。
  kernel：存放内核本身需要的一些核心代码文件。其中有很多关键代码，包括pid--进程号等。
  lib：公用的库文件，里面是一些公用的库函数。
  mm：存放LInux的内存管理代码。
  net：网络相关的代码，譬如TCP/IP协议栈等。

构建简单的Linux内核

按照书上说写，首先在网络上下载Linux的内核源代码并解压编译，而后再制作好根文件系统，即可在qemu中运行不带调试信息的Linux内核和MenuOS

跟踪调试Linux内核的启动过程

本过程在实验楼中完成：

通过qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -S -s指令，我们打开含有调试功能的内核窗口，并在打开新的终端通过gdb调试内核。
在gdb中输入
file linux-3.18.6/vmlinux 打开vmlinux文件
target remote:1234 连接到内核的1234端口
这样就可以开始对内核进行调试

在gdb中，我们可以插入函数断点来查看start_kernel()等函数的上下文情况。

代码分析

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();
｝

start_kernel() 函数在main.c中充当着C语言中main函数的作用，打开系统后，内核将会首先调用汇编语言编写的硬件系统的初始化工作程序，为C代码配置好运行环境，而后首先调用的就是start_kernel() 函数。start_kernel() 函数的运行过程中将调用各个内核模块的初始化函数，其中包括但不限于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。在初始化的过程中，函数将会首先生成一个init_task进程（进程0），由0进程负责内核模块的初始化；而后在初始化的过程中，0进程将会生成kernel_init线程（内核线程1）和kthreadd线程（内核线程2），这两个线程将分别衍生用户进程以及其他内核进程，在初始化完成后，0进程将转化为idle空进程。

问题与解决

• 在主机中配置调试信息时，在make的过程中gcc报错。
  
  错误原因是内存不足，以至于调试信息未写入vmlinux文件，导致gdb无法对Linux内核启动程序进行调试。
  
  在网上查阅后说可以通过扩大stack size解决，但是调整后问题任无法解决，因此调试部分在实验楼中完成。