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内核分析第一周学习总结——计算机是如何工作的

LINUX内核分析第二周学习总结——操作系统是如何工作的

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内核分析第六周学习总结——进程的描述和进程的创建

LINUX内核分析第七周学习总结——可执行程序的装载

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

• (一)计算机是如何工作的

  • 冯诺依曼体系结构——核心：存储程序计算机;
  • X86汇编基础

  (二)操作系统是如何工作的

  • 三个法宝——存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制；
  • 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

  • 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；
  • rest_init()其他初始化函数，函数内将创建1号进程，即init进程；
  • 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。

  • 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）

  • 三层皮：API xyz，中断向量system_call，中断服务程序sys_xyz
  • 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。
  • 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。
  • 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）

  • set_system_trap_gate，设置系统陷阱门，即系统调用。
  • 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

  • 操作系统的三大管理功能：进程管理、内存管理、文件系统；
  • PCB task_struct中：进程状态、进程打开的文件、进程优先级信息；
  • PID唯一的标识进程；
  • 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

  • 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

  • schedule()函数负责调度;
  • 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
  • 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；