《linux内核原理与分析》第三周作业
一、实验相关
实验内容
使用qemu虚拟机运行内核，并从内核入口start_kernel开始单步分析start_kernel函数执行过程
实验楼环境一直崩溃，所以改为使用自己的虚拟机。
下载源码并解压编译
mkdir LinuxKernel
cd LinuxKernel
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_defcongig
make
编译时出现书中提到gcc编译器版本问题，问题原因在于现在的linux编译器gcc版本过高，解决方法是将内核中存在的头文件重命名为所需的文件。
制作根文件系统
mkdir rootfs
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
gcc -pthread -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static
cd ../rootfs
cp ../menu/init ./
find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img
对内核进行跟踪调试
使用sudo apt-get install qemu命令下载安装qemu虚拟机，进行书中配置编译Linux内核操作，执行以下操作
make menuconfig
make
执行该命令时，发现目录中并不存在menuconfig文件，经查阅资料后了解到menuconfig是基于文本选择的配置界面，字符终端下推荐使用，进行该命令后会出现如下图
该窗口是为了配置内核编译的选项，同时出于好奇，查阅了相关资料，该窗口是由cripts/kconfig目录下面的配置文件生成，该目录下比较重要的文件有mconf.c和lxdialog目录，使用cat命令查看后其中存放的为编译时的配置文件。
按照书中的操作选择编译时携带调试信息，为了后面使用gdb进行调试，之后进行make操作
后面进行调试时发现由于linux版本问题和qemu版本问题，进行该操作之后并不能添加调试信息，解决方法是在制作根文件系统和镜像的时候，使用
gcc -pthread -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static -g
提前将调试信息加入到镜像中，后面惊醒gdb单步查看时就能够查看到调试的符号表信息了。
跟踪调试Linux内核启动过程
首先在配置好的qemu虚拟机中启动内核，使用以下命令
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -S -s
其中-S是为了将CPU在初始化之前将其冻结起来，-s是在1234端口上创建了一个gdb-server,方便通过另一个窗口使用gdb把带有符号表的内核镜像加载，然后连接gdbserver，并进行调试。效果图如下：
打开另一个窗口使用gdb，使用如下命令
file linux-3.18.6/vmlinux
target remote:1234
break start_kernel
加载内核并通过端口1234进行调试，在内核开始的start_kernel函数入口处设置断点，如下图：
之后开始单步执行，如下图：
分析：该图为start_kernel函数执行的第一行，改行初始化了一个数据结构init_task，该数据结构类型是PCB，即该行代码的作用为初始化第一个PCB，该PCB指向了内核的0号进程即init_task()，该进程初始化了系统的所有进程和线程，在内核初始化完成之后就会演变为idle进程，在后面内核调度进程中发挥作用。
继续执行，如下图：
分析：接下来按行分析各个函数的作用，主要还是通过搜索各种资源，了解每个函数的作用。
smp_setup_processor_id()，这个函数主要作用是获取当前正在执行初始化的处理器ID，
debug_objects_early_init()，这个函数主要作用是对调试对象进行早期的初始化，其实就是HASH锁和静态对象池进行初始化。
boot_init_stack_canary()，初始化stack_canary，用来防止栈溢出攻击保护的堆栈。
cgroup_init_early()，这个函数主要作用是控制组进行早期的初始化。控制组的作用是为了给进程分配不同的cpu、IO等资源。
local_irq_disable()，这个函数主要作用是关闭当前CPU的所有中断响应，方便后面对各类资源初始化的时候屏蔽多余中断。
early_boot_irqs_off()，这个函数主要作用是标记内核还在早期初始化代码阶段，并且中断在关闭状态，如果有任何中断打开或请求中断的事情出现，都是会提出警告，以便跟踪代码错误情况。
boot_cpu_init()，这个函数主要作用是设置当前引导系统的CPU在物理上存在，在逻辑上可以使用，并且初始化准备好。
page_address_init()，这个函数主要作用是初始化高端内存的映射表。
pr_notice("%s", linux_banner)，这行代码主要作用是在输出终端上显示版本信息、编译的电脑用户名称、编译器版本、编译时间。
接下来继续单步执行，调试代码和结果如下图：
分析：从输出版本之后，start_kernel函数进行的操作就是进行内核架构、页表、内存、命令行、以及各种参数的初始化，这些可以暂时不用详细了解，其中需要我们了解的是：
vfs_caches_init_early()，这个函数是虚拟文件系统的缓存初始化
mm_init()，这个函数是标记那些内存可以使用，并且告诉系统有多少内存可以使用，当然是除了内核使用的内存以外。
sched_init()，这个函数主要作用是对进程调度器进行初始化，比如分配调度器占用的内存，初始化任务队列，设置当前任务的空线程，当前任务的调度策略为CFS调度器
init_IRQ()，这个函数是初始化中断相关的工作，主要初始化中断描述数组，然后调用每个CPU架构中断初始化。
softirq_init()，这个函数是初始化软件中断，软件中断与硬件中断区别就是中断发生时，软件中断是使用线程来监视中断信号，而硬件中断是使用CPU硬件来监视中断。
console_init()，这个函数是用来初始化控制台，从这个函数之后就可以输出内容到控制台了。如下图，可以看到qemu虚拟机中出现了控制台启用的信息：
接下来进行的操作就是继续进行各种初始化，不过在控制台初始化之后，相应的信息都会在qemu虚拟机的界面上显示出来，看起来就很直观了。我们继续单步执行：
执行到最后一步rest_init()函数，这个函数会进行后续的初始化工作，并开始正式执行内核进程和用户级进程。
实验收获
通过该次实验，单步执行linux内核的入口函数，对内核的初始化有了个大概的了解。其中我觉得比较重要的是，了解到了Linux系统0号进程，1号进程，2号进程的产生过程以及他们分别的作用。
0号进程来源于init_task（）函数，该函数会演变为idle进程，是唯一一个没有通过fork()产生的进程，该进程的作用是当没有其它进程能够执行时，会调度执行idle。在调度器发现执行队列为空的时候执行，将其调入执行。
1号进程来源于kernel_init（）1号内核线程，该进程由0号进程创建，是内核启动的第一个用户态进程，该进程是其他所有用户进程的祖先进程
2号进程是kthreadd（）2号内河县城，始终运行在内核空间，是所有内核态其他守护线程的父线程。