庖丁解牛Linux内核分析笔记-1

2019-5-3
主要内容摘自 孟宁《庖丁解牛Linux内核分析》

天下大事必作于细，天下难事必作于易

1.计算机三大法宝

• 存储程序计算机
• 函数调用堆栈
• 中断

2.虚拟一个x86的CPU硬件平台

2.1 虚拟环境搭建

sudo apt-get install qemu # 安装qemu
sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu # 生成qemu-system-i386的符号链接qemu
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.9.4.tar.xz # 下载linux-3.9.4.tar.xz

# 下载mykernel补丁
wget https://www.raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch 
xz -d linux-3.9.4.tar.xz
tar -xvf linux-3.9.4.tar
cd linux-3.9.4
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch # 添加补丁，注意参数为p1不是pl
make allnoconfig
make # 编译mykernel
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

2.2使用mykernel编写时间片轮转多道程序内核

1.mykernel相关文件

• mypcb.h
• mymain.c
• myinterrupt.c

2.使用gdb调试内核

gdb # 运行gdb
# 在gdb程序中，输入：
file linux3.9.4/vmlinux # 加载符号表
target remote:1234 # 建立连接
break start_kernel # 插入断点

3.MenuOS的构造

3.1 Linux内核源代码简介

操作系统两把“宝剑”

• 中断上下文
• 进程上下文

使用版本：linux-3.18.6

内核分析中重要的文件：

• arch/x86
• init/main.c
• kernel

linux readme

• what is linux?
• on what hardware does it run?
• documentation
• installing the kernel source
• software requirements
• build directory for the kernel
• configuring the kernel
• compiling the kernel
• if something goes wrong

1. 编译安装内核大概步骤
   (1) 安装开发包组
   (2) 下载源码文件
   (3) .config:准备内核选项
   (4) make menuconfig:配置内核选项
   (5) make [-j #]
   (6) make modules_install:安装模块
   (7) make install:安装内核相关文件
   (8) 安装bzImage为/boot/vmlinuz-VERSION_RELEASE
   (9) 生成initramfs文件
   (10) 编辑grub的配置文件

2.编译配置选项
(1) 配置内核选项
(2) 支持“更新”模式进行配置：make help

• make config:在命令行中以遍历的方式去配置内核中可配置的每一个选项。
• make menuconfig:基于curses的文本窗口界面
• make gconfig:基于GTK(GNOME)环境窗口界面
• make xconfig:基于QT(KDE)环境的窗口界面
  (3) 支持“全新配置”模式进行配置
• make defconfig:基于内核为目标平台提供的默认配置进行配置
• make allyesconfig:所有选项回答为"yes"
• make allnoconfig:所有选项回答为"no"

3.编译
make [-j #] : 全部编译

3.2 构造一个简单的Linux内核

编译、运行、跟踪源代码
MenuOS：由Linux内核和该文件系统集成

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

解释
qemu: 仿真kernel的虚拟机；
bzImage:vmLinux经过gzip压缩后的文件，是压缩的内核映像，'b'表示'big'(bzImage适用于大内核，zImage适用于小内核)；
vmLinux:编译出来的最原始的内核ELF文件；
根文件系统：一般包含内存根文件和磁盘文件系统
initrd:是“initial ramdisk”简写，普通用户一般感受不到这个内存根文件系统的存在，因为普通Linux在启动时，是boot loader将存储介质中的initrd文件加载到内存，内核启动时先访问initrd文件系统（内存根文件系统），然后再切换到磁盘文件系统。为简化实验只使用了initrd根文件系统

(1)下载内核源代码并解压

wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.18.6.tar.xz
xz -d linux-3.18.6.tar.xz
tar -xvf linux-3.18.6.tar
cd linux-3.18.6
make i386_defconfig
make

(2)制作根文件系统(返回上级目录)

mkdir rootfs
git clone https:/github.com/mengning/menu.git
cd menu
gcc pthread -o init linkable.c menu.c test.c -m32 -static
cd ../rootfs
cp ../menu/init ./ # 将init复制到rootfs下
find . | cpio -o -Hnewc | gzip -9 > ../rootfs.img # 把当前rootfs下的所有文件打包成一个镜像文件

配置内核编译选项出现的问题

zgd@zgd-ThinkPad-X260:~/kernel/linux-3.18.6$ make menuconfig
  HOSTLD  scripts/kconfig/mconf
/usr/bin/ld: scripts/kconfig/zconf.tab.o: relocation R_X86_64_32 against `.rodata.str1.1' can not be used when making a PIE object; recompile with -fPIC
/usr/bin/ld: final link failed: Nonrepresentable section on output
collect2: error: ld returned 1 exit status
scripts/Makefile.host:100: recipe for target 'scripts/kconfig/mconf' failed
make[1]: *** [scripts/kconfig/mconf] Error 1
Makefile:541: recipe for target 'menuconfig' failed
make: *** [menuconfig] Error 2

原因及解决方法
原因：gcc版本太高，ubuntu18自带gcc版本为7.4，高版本gcc默认开启-fPIC(Position independent code)支持动态库的重定位
方法：安装gcc-4.8，生成新的/usr/bin/gcc链接，重新配置menuconfig再编译即可