2020-2021-1 20209322《Linux内核原理与分析》第四周作业
本周学习了MenuOS的构造
一、知识点总结
1.“三大法宝”和“两把宝剑”
计算机三大法宝：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（保存现场和恢复现场），进程上下文
2.源代码根目录
arch
arch目录里的代码可以用来使Linux内核支持不同的cpu和体系结构。X86的CPU的所有文件都在arch/x86目录下，只需关注arch/x86。
block
在linux中block表示块设备（以块（多个字节组成一个整体，类似于扇区）为单位进行访问），例如SD卡、iNand、Nand、硬盘等都是块设备。几乎可以认为块设备就是存储设备。block目录下放的是一些linux存储体系中关于块设备管理的代码。
crypto
英文意思是加密。这个目录下放了一些各种常见的加密算法的C语言代码实现，例如crc32、md5、sha1等。
Documentation
这个目录下放了一些文档。
drivers
驱动目录，里面分门别类地列出了linux内核支持的所有硬件设备的驱动源代码。
firmware
固件。什么叫固件？固件其实就是软件，不过这个软件是固化到IC里面运行的，就像S5PV210里的iROM代码。
fs
fs就是file system，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，公共的（各种CPU架构共用的）头文件都在这里。各种CPU架构特有的一些头文件在arch/arm/include目录及其子目录下。
init（内核启动起点）
init是初始化的意思，这个目录下的代码就是linux内核启动时初始化内核的代码。再init目录下，有main.c源文件，这是整个Linux内核启动的起点，但它的起点不是main函数，而是star_kernel函数。
ipc
ipc就是inter process communication，进程间通信，里面都是linux支持的IPC的代码实现。
kernel
kernel就是内核，就是linux内核，所以这个文件夹下放的就是内核本身需要的一些核心代码文件。
lib
lib是库的意思，这里面都是一些公用的有用的库函数，注意这里的库函数和C语言的库函数是不一样的。在内核编程中是不能用C语言标准库函数，这里的lib目录下的库函数就是用来替代那些标准库函数的。例如在内核中要把字符串转成数字用atoi，但是在内核编程中只能用lib目录下的atoi函数，不能用标准C语言库中的atoi。还比如在内核中要打印信息时不能用printf，而要用printk，这个printk就是我们这个lib目录下的。
mm
mm就是memory management，内存管理，linux的内存管理代码都在这里。
net
该目录下是网络相关的代码，例如TCP/IP协议栈等。
3.在实验楼上运行一个Linux系统
cd LinuxKernel/
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img //bzImage是vmLinux经过gzip压缩后的文件，是压缩内核的映像，initrd是
initrd（initial RAM disk）是为了支持linux启动的两个阶段，而设计的临时根文件系统。通常，initrd内包含多种可执行文件和驱动库，用于实现最后挂载真实的根文件系统，并在之后卸载临时的initrd根文件系统并释放相应的内存。在很多嵌入式的Linux系统中，没有使用其他真实的根文件系统，而采用initrd做为最后使用的根文件系统。
在这里，这个根文件系统只是创建了一个rootfs.img，只有一个init的功能，用menu程序替代了init，支持三个命令help、version、quit。
二、在自己的Linux环境中搭建MenuOS
1.下载内核代码
编译时出错，缺少compiler-gcc9.h,查看include/linux目录内，复制一个compiler-gcc5.h重命名为compiler-gcc9.h，编译通过
2.制作根文件系统
出现问题
原因是缺少编译环境，使用如下命令：
sudo apt-get install gcc-multilib
sudo apt-get install qemu
qemu安装成功，却无法使用。
安装qemu-system-i386，使用qemu-system-i386指令替换qemu指令。如果你想还是使用qemu指令，可以建立一条软链接：
sudo apt-get install qemu-system-i386
sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu
3.跟踪调试
make menuconfig出现问题
sudo apt-get install libncurses5-dev重新make menuconfig。按照书中步骤操作。
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -S -s
将cpu初始化之前先冻结起来。
使用gdb建立连接。
设置断点，并执行。
继续设置断点，执行。rest_init()函数
4.函数分析
4.1 start_kernel函数代码
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\n", 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\n"))
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\n");
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.\n",
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();
}
4.2 rest_init函数代码
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);
}
4.3 函数调用分析
main.c中，没有main函数，start_kernel相当于main函数，是一切的起点。
在start_kernel()中，有很多重要的模块，例如：
trap_init();//对异常进行初始化，在arm里是空函数
init_timers();//初始化引导cpu的时钟相关的数据结构，注册时钟的回调函数，当时钟到达时可以回调时钟处理函数，最后初始化时钟软件中断处理
time_init();//初始化系统时钟
console_init();//初始化控制台，以便输出内容，在此函数调用时，原先存放在缓冲区内的信息都会被立即输出
mm_init();//内存管理的初始化
sched_init();//调度模块的初始化
rest_init();//后继初始化，主要是创建内核线程init，并运行。
在书中，主要讨论内核进程的创建过程。
4.3.1 Linux下的3个特殊进程
Linux下有3个特殊的进程，idle进程(PID = 0), init进程(PID = 1)和kthreadd(PID = 2)
- idle进程由系统自动创建, 运行在内核态，idle进程其pid=0，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。
- init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。 - kthreadd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
4.3.2 0号进程的创建
/* Initial task structure */
struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task);
EXPORT_SYMBOL(init_task);
init_task是内核中所有进程、线程的task_struct雏形，在内核初始化过程中，通过INIT_TASK静态定义构造出了一个task_struct接口，取名为init_task，然后在内核初始化的后期，通过rest_init（）函数新建了内核init线程，kthreadd内核线程。
init_idle_bootup_task()：当前0号进程init_task最终会退化成idle进程，所以这里调用init_idle_bootup_task()函数，让init_task进程隶属到idle调度类中。即选择idle的调度相关函数。
调用schedule()函数切换当前进程，在调用该函数之前，Linux系统中只有两个进程，即0号进程init_task和1号进程kernel_init，其中kernel_init进程也是刚刚被创建的。调用该函数后，1号进程kernel_init将会运行！
调用cpu_idle()，0号线程进入idle函数的循环，在该循环中会周期性地检查。
4.3.3 1号进程的创建
在rest_init()函数中，新建kernel_init和kthreadd内核线程，
kernel_init（内核init线程），开始的init是有kthread_thread创建的内核线程, 他在完成初始化工作后, 转向用户空间, 执行/sbin/init进程变为所有用户态程序的根进程（pstree命令显示）,即用户空间的init进程，并且生成所有用户进程的祖先。
4.3.4 2号进程的创建
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start_kernel，然后再到其最后一个函数调用rest_init。从rest_init开始，Linux开始产生进程，因为init_task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start_kernel的执行都纳入到init_task进程上下文中。这个函数其实是由0号进程执行的, 他就是在这个函数中, 创建了init进程和kthreadd进程。
内核kthreadd内核线程，变为所有内核态其他守护线程的父线程。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。
