《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

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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:

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　　　　在start_kernal设置断点

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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\n", 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\n"))

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\n");

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.\n",

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）

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一、Linux内核源代码简介

1.1 Linux内核源代码

二、构造一个简单的Linux系统

2.1 构造一个简单的Linux系统MenuOS

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

3.2 简单分析start_kernel

四、总结

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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

3.2 简单分析start_kernel

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