2018-2019-1 20189213《Linux内核原理与分析》第四周作业

《Linux内核原理与分析》第四周学习总结：

1.课本知识总结：

本章内容并不多，首先是介绍了一些Linux内核源代码的目录结构，并基于Linux内核源代码构造一个简单的操作系统MenuOS，同时在MenuOS启动过程中跟踪分析Linux内核的启动过程。
操作系统的“两把宝剑”：中断上下文、进程上下文。其中中断上下文的切换主要用来保存现场和恢复现场，而进程上下文实际上是进程执行活动全过程的静态描述。
书中所描述的一切内容都是基于Linux内核3.18.6版本，其中Linux内核源码的目录包括以下这些：

其中我们主要关注arch目录，因为它里面存放了许多CPU体系结构的相关代码；
当然也有几个比较关键的目录：
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；
init（初始化）：存放Linux内核启动时的初始化代码；
ipc目录：存放Linux支持的IPC（进程间通信）的代码实现；
kernel：存放内核本身需要的一些核心代码文件；等等。

2.构造一个简单的Linux内核：

由于实验是在实验楼上进行的，已经搭好了环境，所以不再过多进行描述。
这里主要讲如何在自己的虚拟机搭环境，构建一个简单的Linux内核：
首先是进行Linux3.18.6内核版本的下载，下载好后编译并运行，虽然等待时间很长，但自己动手做一遍觉得会有不同的收获。


运行后我们可以进行根文件系统的制作，这样就可以启动不带调试信息的Linux内核和MenuOS了：

3.重点实验：跟踪分析Linux内核的启动过程

虽然实验对照书上内容看操作并不难，但理解起来确实蛮难的。
第一步:使用gdb跟踪调试内核，首先命令中有-s与-S参数的加入:
-S：freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution) 在系统启动的时候冻结CPU，使用c键继续执行后续操作；
-s：shorthand for -gdb tcp::1234 打开远程调试端口，默认使用tcp协议1234端口，若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项 。
这个指令的作用是在开始的时候就让CPU停止在启动的那一刻，我们可以看到如下的界面：

第二步：再打开一个窗口，水平分割，启动gdb，把内核加载进来，建立连接，并设置相应断点加用‘c’运行：

第三步：对内核启动的有关分析：
(1)start_kernel()
main.c 中没有 main 函数，start_kernel() 相当于是C中的main函数。start_kernel是一切的起点，在此函数被调用之前内核代码是用汇编语言写的，完成系统的初始化工作，为c代码的运行设置环境。由调试可得 start_kernel 在500行：

(2)init_task()
start_kernel() 函数几乎涉及到了内核的所有模块，如：trap_init()（中断向量的初始化）、mm_init()（内存管理的初始化）sched_init()（调度模块的初始化）等，首先是510行的init_task()：

可以看出 init_task(0号进程)是 task_struct 类型，是进程描述符，使用宏INIT_TASK对其进行初始化。接下来就是对各种模块的初始化。
(3)rest_init()
通过rest_init（）新建kernel_init、kthreadd内核线程：

在403行代码中调用 kernel_thread()创建1号内核线程（在 kernel_init 函数正式启动）。
这里对比一下init_task 和 kernel_thread()：

kernel_thread()是 fork 出了一个新进程来执行kernel_init 函数，而 init_task 是使用宏进行初始化的。也就是说0进程不是系统通过 kernel_thread 的方式（也就是 fork）创建的（init_task 是唯一一个没有通过 fork()产生的进程）。
在405行代码中调用 kernel_thread()执行 kthreadd函数，创建 PID=2的内核线程：

kthreadd函数的任务是管理和调度其他内核线程 kernel_thread。for 循环中运行 kthread_create_list 全局链表中维护的 kthread, 在create_kthread()函数中，会调用 kernel_thread 来生成一个新的进程并被加入到此链表中，因此所有的内核线程都是直接或者间接的以 kthreadd 为父进程。

总结：
(1)init_task()（PID=0）在创建了init进程后，调用 cpu_idle() 演变成了idle进程，执行一次调度后，init进程运行；
(2)1号内核线程负责执行内核的部分初始化工作及进行系统配置，最后调用do_execve执行 init 函数，演变成 init 进程（用户态1号进程），init 进程是内核启动的第一个用户级进程；
(3)kthreadd（PID=2）进程由0号进程创建，始终运行在内核空间, 负责所有内核线程的调度和管理 。

4.个人理解分析及遇到的一些问题：

上述描述的基本都是书上的内容，比较官方也比较难理解。本章内容不多，操作难度也不大，但理解难度很大。
首先，几乎所有的内核模块均会在start_kernel进行初始化。在start_kernel中，会对各项硬件设备进行初始化，包括一些page_address、tick等等，直到最后需要执行的rest_init中，会开始让系统跑起来。
那么，rest_init这个过程中，会调用调用kernel_thread来创建内核线程kernel_init，它创建用户的init进程，初始化内核，并设置成1号进程，这个进程会继续做相关的系统初始化；
然后，start_kernel会调用kernel_thread并创建kthreadd，负责管理内核中得所有线程，然后进程ID会被设置为2；
最后，会创建idle进程（0号进程），不能被调度，并利用循环来不断调号空闲的CPU时间片，并且从不返回。

问题:
(1)本章学习中遇到了许多陌生的指令和术语，一边操作过程中一边查阅有关资料，但对有些术语还是不太理解。
(2)在自己虚拟机上搭建环境时，Linux-3.18.6内核版本根据书中链接进行下载网速太慢，于是便在Linux官网上进行下载然后解压运行。
(3)“gcc -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static –lpthread”执行这句话的时候gcc报错出现：找不到lpthread？