《Linux内核分析》第三周 构建一个简单的Linux系统MenuOS

【刘蔚然 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 】

WEEK THREE（2.29——3.6）构造一个简单的Linux系统MenuOS

SECTION 1 Linux内核源代码简介

1.操作系统的两把宝剑（回顾上一讲）

中断上下文的切换——保存现场&恢复现场

进程上下文的切换

2.Linux内核源代码简介

打开内核源代码页面

arch/目录：支持不同CPU的源代码；其中的X86是重点

init/目录：内核启动相关的代码基本都在该目录中（比如main.c等）

start_kernel函数就相当于普通C程序的main函数

kernel/目录：Linux内核核心代码在kernel目录中

README

介绍了什么是Linux，Linux能够在哪些硬件上运行，如何安装内核源代码等

SECTION 2 构造一个简单的Linux系统MenuOS

1.init是第一个用户态进程

2.实验楼环境下的实验步骤

进入实验楼，输入$ cd LinuxKernel

其中，Linux-3.18.6是最新版本的Linux系统。rootfs是含有init函数的文件，生成的是rootfs.img

直接启动kernel。其中 -initrd(指明一个根文件系统) rootfs。我们尝试着输入命令help，可以看到这个系统也会给出有关help命令的参数及说明（虽然比较少哈）

（

）

（

）

启动gdb调试

（

）

关于参数 - s，- S：

- S是指在CPU初始化之前（刚启动的时候）将其冻结

- s是指在1234这个端口上创建的gdb server

用水平分割另外打开一个shell窗口之后，进行调试

输入gdb之后，gdb即被打开；

加载Linux符号表；

连接到刚刚被冻结的Linux系统；

可以设置断点（break),格式为：break [函数名]（此时系统还是被冻结而并没有启动的）；

（

）

设置完断点之后，输入c命令continue（继续执行），函数会停在断点处（如图）；

输入list指令之后，可以详细地查看函数停留的位置（比如断点在startkernel处的话停留在501行，而断点设置为restinit之后就停留在394行）；

（









）

3. 简单分析一下start_kernel

分析一下Linux系统是如何启动的：

参考

http://codelab.shiyanlou.com/xref/linux-3.18.6/init/main.c代码库代码

http://blog.csdn.net/hardy_2009/article/details/7383815CSDN博客

代码节选（分析见注释） 不管分析内核的那一部分都会涉及到start_kernel；因为几乎所有的模块在启动的时候都是通过调用init函数来启动的

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);//init_task即手工创建的PCB，0号进程及最终的idle进程
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();
……
setup_log_buf(0);
558 pidhash_init();
559 vfs_caches_init_early();
560 sort_main_extable();
561 trap_init();//初始化中断向量。跟踪此函数，见下方解释
562 mm_init();
……
677 ftrace_init();
678
679 /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
680 rest_init();//跟踪此函数，见下方解释
681}

点击追踪561行的trapinit函数，找到x86对应的trapinit函数，可以看到其中设置了很多断点。

（

）

setintrgate就是set interrupt（设置断点）的意思；从图中也可以看到，程序中设置了很多不同的硬件中断。其中，第839行的系统陷阱门就是我们重点关注的系统调用。

restinit中有kernelthread函数：

（

）

此函数中有一个函数参数kernel_init：

（

）

run_init函数是系统的1号进程，用户态的第一个进程；

创建了一号进程后，kernel_thread函数通过405行的kthreadd管理线程；

由cpustartupentry(CPUHPONLINE);——>cpuidleloop();——>static void cpuidle_loop(void)：

cpuidleloop中有一个while循环，当start_kernel启动之后，她就一直存在。当系统没有进场需要执行的时候就调度到idle进程。

总结

kernelthread是0号进程，它创建了1号进程kernelinit，以及它的一些服务的内核线程，这样整个系统及启动起来了；

然后init进程会再启动一些进程。

道生一，一生二，二生三，三生万物。系统就这样运行起来了

根据CSDN中博客的系统阐述，来龙去脉更加深邃

inittask进程在Linux中属于一个比较特殊的进程，它是内核开发者人为制造出来的，而不是其他进程通过dofork来完成【这是系统在通电之后就会加载的数据结构struct】

Linux在无进程概念的情况下将一直从初始化部分的代码执行到startkernel，然后再到其最后一个函数调用restinit【这一点也是和视频中推的是一致的】

从restinit开始，Linux开始产生进程，因为inittask是静态制造出来的，pid=0，它试图将从最早的汇编代码一直到startkernel的执行都纳入到inittask进程上下文中。在restinit函数中，内核将通过下面的代码产生第一个真正的进程(pid=1)，也就是 kernelthread(kernelinit, NULL, CLONEFS | CLONE_SIGHAND);【0号进程创建1号进程】

此时init_task的任务基本上已经完全结束了，它将沦落为一个idle task【很符合操作系统精简一切不必要支出的特征】

事实上在更早前的schedinit（）函数中，通过initidle(current, smpprocessorid())函数的调用就已经把inittask初始化成了一个idle task，initidle函数的第一个参数current就是&inittask，在initidle中将会把inittask加入到cpu的运行队列中，这样当运行队列中没有别的就绪进程时，inittask（也就是idle task)将会被调用，它的核心是一个while(1)循环，在循环中它将会调用schedule函数以便在运行队列中有新进程加入时切换到该新进程上。【这样就保证了系统可以随时迎接新进程而不至于卡壳】