《Linux内核分析》第三周学习笔记

《Linux内核分析》第三周学习笔记构造一个简单的Linux系统MenuOS

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一、Linux内核源代码简介

1.1 Linux内核源代码

arch：支持不同的CPU的源代码，其中的关键目录包括：Documentation、drivers、firewall、fs、include等
documentation：文档目录
fs：文件系统
init：内核启动相关的代码main.c、Makefile等基本都在该目录中。（main.c中的start_ kernel函数是Linux内核启动的起点，即初始化内核的起点）
kernel：Linux内核核心代码在kernel目录中。
lib：公用的库文件
mm：内存管理的代码
scripts：与脚本相关的代码
security：与安全相关的代码
sound目录：与声音相关的代码
tools目录：与工具相关的代码
net：与网络相关的代码
readme：介绍了什么是Linux，Linux能够在哪些硬件上运行，如何安装内核源代码等
……

二、构造一个简单的Linux系统

2.1 构造一个简单的Linux系统MenuOS

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

qemu命令是模拟内核启动虚拟机，启动Linux内核需要三个参数（kernel、initrd、root所在的分区和目录），执行的第一个文件是init。
-kernel指明内核文件名
-initrd指明根文件系统，启动其中的init文件。（menuOS源代码编译->init->rootfs.img）其中rootfs.img 为根文件系统，目前只支持help、version、quit功能。
启动过程为：启动内核->启动init->启动进程

三、跟踪调试Linux内核的启动过程

3.1 使用gdb跟踪调试Linux内核的方法

使用带参数命令启动MenuOS，使得系统在刚启动时，暂停等待调试器跟踪执行。

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S
# -S 在CPU初始化之前冻结CPU
# -s 1234端口上创建一个tcp接口。若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项

另开一个shell窗口，启动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 
# 在start_kernel函数入口处设置断点
（gdb）c 
# 使得系统运行到start_kernel处停住
（gdb）list
# 显示当前行所在位置上下的代码

注：编译的目的就是生成自带内核中没有的符号表。符号是全局变量、函数名，符号表即名字与地址一一对应。

　　　　使用gdb进行调试:

　　　　在start_kernal设置断点

3.2 简单分析start_kernel

在init目录下的main.c包含start_ kernel函数。基本上所有模块启动时都需要调用init中的start_kernel函数来进行初始化。

全局变量init_ task：手工创建的PCB，0号进程

start_ kernel函数分析

500asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
501{
502 char *command_line;
503 char *after_dashes;
504
505 /*
506  * Need to run as early as possible, to initialize the
507  * lockdep hash:
508  */
509 lockdep_init();
510 set_task_stack_end_magic(&init_task);
511 smp_setup_processor_id();
512 debug_objects_early_init();
513
514 /*
515  * Set up the the initial canary ASAP:
516  */
517 boot_init_stack_canary();
518
519 cgroup_init_early();
520
521 local_irq_disable();
522 early_boot_irqs_disabled = true;
523
524/*
525 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
526 * enable them
527 */
528 boot_cpu_init();
529 page_address_init();
530 pr_notice("%s", linux_banner);
531 setup_arch(&command_line);
532 mm_init_cpumask(&init_mm);
533 setup_command_line(command_line);
534 setup_nr_cpu_ids();
535 setup_per_cpu_areas();
536 smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */
537
538 build_all_zonelists(NULL, NULL);
539 page_alloc_init();
540
541 pr_notice("Kernel command line: %s
", boot_command_line);
542 parse_early_param();
543 after_dashes = parse_args("Booting kernel",
544               static_command_line, __start___param,
545               __stop___param - __start___param,
546               -1, -1, &unknown_bootoption);
547 if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
548     parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,
549            set_init_arg);
550
551 jump_label_init();
552
553 /*
554  * These use large bootmem allocations and must precede
555  * kmem_cache_init()
556  */
557 setup_log_buf(0);
558 pidhash_init();
559 vfs_caches_init_early();
560 sort_main_extable();
561 trap_init(); //初始化中断向量
562 mm_init(); //初始化内存管理模块
563
564 /*
565  * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the
566  * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()
567  * time - but meanwhile we still have a functioning scheduler.
568  */
569 sched_init(); //初始化调度模块
570 /*
571  * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
572  * fragile until we cpu_idle() for the first time.
573  */
574 preempt_disable(); //禁止抢占
575 if (WARN(!irqs_disabled(),
576      "Interrupts were enabled *very* early, fixing it
"))
577     local_irq_disable();
578 idr_init_cache();
579 rcu_init();
580 context_tracking_init();
581 radix_tree_init();
582 /* init some links before init_ISA_irqs() */
583 early_irq_init();
584 init_IRQ();
585 tick_init();
586 rcu_init_nohz();
587 init_timers();
588 hrtimers_init();
589 softirq_init();
590 timekeeping_init();
591 time_init();
592 sched_clock_postinit();
593 perf_event_init();
594 profile_init();
595 call_function_init();
596 WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early
");
597 early_boot_irqs_disabled = false;
598 local_irq_enable();
599
600 kmem_cache_init_late();
601
602 /*
603  * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before
604  * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of
605  * this. But we do want output early, in case something goes wrong.
606  */
607 console_init(); //初始化控制模块
608 if (panic_later)
609     panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
610           panic_param);
611
612 lockdep_info();
613
614 /*
615  * Need to run this when irqs are enabled, because it wants
616  * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs
617  * too:
618  */
619 locking_selftest();
620
621#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
622 if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
623     page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {
624     pr_crit("initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - disabling it.
",
625         page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),
626         min_low_pfn);
627     initrd_start = 0;
628 }
629#endif
630 page_cgroup_init();
631 debug_objects_mem_init();
632 kmemleak_init();
633 setup_per_cpu_pageset();
634 numa_policy_init();
635 if (late_time_init)
636     late_time_init();
637 sched_clock_init();
638 calibrate_delay();
639 pidmap_init();
640 anon_vma_init();
641 acpi_early_init();
642#ifdef CONFIG_X86
643 if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))
644     efi_enter_virtual_mode();
645#endif
646#ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64
647 /* Should be run before the first non-init thread is created */
648 init_espfix_bsp();
649#endif
650 thread_info_cache_init();
651 cred_init();
652 fork_init(totalram_pages);
653 proc_caches_init();
654 buffer_init();
655 key_init();
656 security_init();
657 dbg_late_init();
658 vfs_caches_init(totalram_pages);
659 signals_init();
660 /* rootfs populating might need page-writeback */
661 page_writeback_init();
662 proc_root_init();
663 cgroup_init();
664 cpuset_init();
665 taskstats_init_early();
666 delayacct_init();
667
668 check_bugs();
669
670 sfi_init_late();
671
672 if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {
673     efi_late_init();
674     efi_free_boot_services();
675 }
676
677 ftrace_init();
678
679 /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
680 rest_init(); //初始化其他模块
681}

注：rest_ init()函数

rest_ init()调用了kernel_ thread(kernel_ init, NULL, CLONE_ FS); 然后又继续调用run_ init_ process(ramdisk_ execute_ command); run_ init_ process是1号进程，即第一个用户态进程。
创建进程：pid = kernel_ thread(kthreadd, NULL, CLONE_ FS | CLONE_FILES);其中kthreadd是被创建的内核线程，用来管理资源。
rest_ init的各部分启动完毕后，调用static void cpu_ idle_loop(void);该函数一直在循环，是0号进程。当系统没有进程需要执行时就调度idle进程。

四、总结

rest_ init实际上是start_ kernel在内核启动时就一直存在的，即0号进程。然后0号进程创建1号进程init,还有其他服务的内核线程，这样内核就能启动起来。

再附同学的精辟总结：道生一（start_ kernel....cpu_idle），一生二（kernel _ init和kthreadd），二生三（即前面0、1和2三个进程），三生万物（1号进程是所有用户态进程的祖先，2号进程是所有内核线程的祖先）