Linux内核学习总结
Linux内核学习总结
武西垚 + 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
对Linux系统的理解及学习Linux内核的心得
1、收获
在Linux内核分析这门课的学习过程中，我对Linux系统有了初步的了解。因为是第一次接触Linux，所以理解起来有点吃力，不过还是尽力去理解。在学习Linux系统内核的相关结构和设计原理的同时，也学会了在Linux系统内的相关操作，印象最深刻的是gdb调试内核代码的方法。
另外，在学生互评的环节中我也学习了其他人的博客，对知识有了很好的梳理和巩固，可以更全面的理解所学的知识。
2、遗憾
这八周的MOOC学习下来，我觉得只是浅浅的了解了Linux内核的相关知识，在脑海里形成了大致的框架。但是在实际的操作应用层面上，自己还很缺乏。在学习的过程中，大多数实验只能根据老师的指导来进行，对于内核中其他的东西还不是很了解。在这门课结束之后，还有许多东西要去学习。
最后，感谢孟老师这八周来的辛苦教学！
Linux内核分析博客链接和知识汇总
- 学习链接总结
LINUX内核分析第三周学习总结——构造一个简单的Linux系统MenuOS
LINUX内核分析第四周学习总结——扒开应用系统的三层皮（上）
LINUX内核分析第五周学习总结——扒开应用系统的三层皮（下）
LINUX内核分析第八周学习总结——进程的切换和系统的一般执行过程
- 学习知识总结
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(一)计算机是如何工作的
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冯诺依曼体系结构——核心：存储程序计算机;
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X86汇编基础
(二)操作系统是如何工作的
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三个法宝——存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制；
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在my_schedule函数中，完成进程的切换。进程的切换分两种：
1.下一个进程没有被调度过；
2.下一个进程被调度过，可以通过下一个进程的state知道其状态。进程切换通过内联汇编代码实现，需要保存之前的进程的eip和堆栈，然后将新进程的eip和堆栈的值存入相对应的寄存器中。
(三) Linux内核源代码简介
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sched_init()进程调度初始化函数，函数内关键的初始化——对0号进程，即idle进程进行初始化；
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rest_init()其他初始化函数，函数内将创建1号进程，即init进程；
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内核的启动过程：
rest_init实际是start_kernel内核一启动的时候会一直存在，这个就叫0号进程；0号进程创建了1号进程kernel_init和其他服务线程。
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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：
-S freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)
-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gdb
（gdb）file linux-3.18.6/vmlinux # 在gdb界面中targe remote之前加载符号表
（gdb）target remote:1234 # 建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行
（gdb）break start_kernel # 断点的设置可在target remote之前，也可在后
(四) 扒开系统调用的三层皮（上）
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三层皮：API xyz，中断向量system_call，中断服务程序sys_xyz
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系统是通过中断的方式将用户态转换为内核态，并通过调用系统函数来实现系统功能。
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系统调用是一个软中断，中断号是0x80——通过int 0x80，触发系统调用。
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嵌入汇编格式为：
asm ( assembler template
: output operands /* optional /
: input operands / optional /
: list of clobbered registers / optional */
);
(五) 扒开系统调用的三层皮（下）
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set_system_trap_gate，设置系统陷阱门，即系统调用。
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使用gdb跟踪
make rootfs:自动编译,生成根文件系统,自动启动.
(gdb)list 查看代码.
(gdb)s 单步调试进入函数体.
(gdb)n 单步调试不进入函数体. -
给MenuOS增加time和time-asm命令、添加了fork（详见第五周学习笔记 ）
(六) 进程的描述和进程的创建
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操作系统的三大管理功能：进程管理、内存管理、文件系统；
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PCB task_struct中：进程状态、进程打开的文件、进程优先级信息；
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PID唯一的标识进程；
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创建一个新进程在内核中的执行过程
1.使用系统调用clone、fork、vfork均可创建一个新进程，但都是通过调用do_fork来实现进程的创建；
2.复制父进程PCB--task_struct来创建一个新进程，要给新进程分配一个新的内核堆栈;
3.修改复制过来的进程数据，比如pid、进程链表等等执行copy_process和copy_thread
4.p->thread.sp = (unsigned long) childregs; //调度到子进程时的内核栈顶
p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork; //调度到子进程时的第一条指令地址
(七) 可执行程序的装载
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Linux内核装载和启动一个可执行程序
1.创建新进程
2.新进程调用execve()系统调用执行指定的ELF文件
3.调用内核的入口函数sys_execve()，sys_execve()服务例程修改当前进程的执行上下文；
（以上系统调用终止后，新进程开始执行放在可执行文件中的代码。） -
当ELF被load_elf_binary()装载完成后，函数返回至do_execve()在返回至sys_execve()。ELF可执行文件的入口点取决于程序的链接方式：
1.静态链接：elf_entry就是指向可执行文件里边规定的那个头部，即main函数处。
2.动态链接：可执行文件是需要依赖其它动态链接库，elf_entry就是指向动态链接器的起点。
(八) 进程的切换和系统的一般执行过程
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schedule()函数负责调度;
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linux系统的一般执行过程:
X正在运行--->发生中断，可能陷入内核，CPU自动保存加载--->SAVE_ALL保存现场--->调用schedule，switch_to进程上下文切换--->标号1之后运行Y（之前有进行准备动作）--->restore_all恢复现场--->iret- pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack--->继续运行用户态进程Y
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特殊情况
通过中断处理过程中的调度时机，用户态进程与内核线程之间互相切换和内核线程之间互相切换，与最一般的情况非常类似，只是内核线程运行过程中发生中断没有进程用户态和内核态的转换；
内核线程主动调用schedule()，只有进程上下文的切换，没有发生中断上下文的切换，与最一般的情况略简略；
创建子进程的系统调用在子进程中的执行起点及返回用户态，如fork；
加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；
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