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2021-2022-1 20212818《Linux内核原理与分析》第四周作业

本文主要是介绍2021-2022-1 20212818《Linux内核原理与分析》第四周作业,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

一、实验内容:跟踪分析 Linux 内核的启动过程

二、实验过程

1、使用实验楼的虚拟机打开 shell(指令如下所示),内核启动完成后进入 menu程序,支持三个命令 help、version 和 quit。

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

运行情况如下图所示:

2、使用 gdb 跟踪调试内核(指令如下所示):

$ 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:
# 1. -S
#   -S freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)
# 2. -s
#   -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

运行情况如下图所示:

3、再打开另外一个 shell 窗口(指令如下所示),启动gdb,把内核加载进来,建立连接。

cd ~/LinuxKernel/

# 打开 GDB 调试器
 gdb

# 在 GDB 中输入以下命令:

# 在gdb界面中targe remote之前加载符号表
(gdb)file linux-3.18.6/vmlinux

# 建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行
(gdb)target remote:1234

# 断点的设置可以在target remote之前,也可以在之后
(gdb)break start_kernel

在start_kernel处设置断点,刚才是stop状态,如果输入“c”则继续执行,则系统开始启动执行,启动到start_kernel函数的位置停在断点处。

运行状态如下图所示,可以在断点查看代码,可以看到start_kernel上下的代码。

4、类似地,再设置一个断点rest_init,继续执行,停在断点处。

运行截图如下所示。断点为rest_init,可以看到rest_init是在start_kernel的尾部进行调用的。 

 三、分析

1、start_kernel函数相当于C语言中的main函数,start_kernel是一切的起点,在此函数调用之前,内核代码主要是用汇编代码写的,用于硬件的初始化工作,为C代码的运行设置环境。

如下为start_kernel函数涉及内核的模块及功能:

lockdep_init(); //死锁检测模块初始化
debug_objects_early_init(); //初始化堆栈 此堆栈有额外的越界保护功能
page_address_init(); //初始化页表地址
pidhash_init(); //给新进程分配进程号
mm_init(); //初始化内存管理
sched_init(); //启动调度器
radix_tree_init(); //init some links before init_ISA_irqs() //初始化中断

2、通过rest_init新建kernel_init和kthreadd内核线程。

3、init_task和kernel_thread()对比:

kernel_thread()是fork出的一个新进程来执行kernel_init函数,而init_task是使用宏进行初始化的。也就是说,在本次实验的代码中,0号进程不是系统通过kernel_thread()方式(即fork方式)创建的(init_task是唯一没有通过fork方式产生的进程)。

四、总结

1、本次实验涉及进程的一些相关知识,对进程和线程知识进行了整理:

进程:指在系统中能够独立运行并作为资源分配的基本单位,进程只能由父进程建立。
进程的个体是完全独立的,而线程间是彼此依存的。

线程:是进程中的一个实体,作为系统调度的基本单位。

多进程环境中,任何一个进程的终止,不会影响到其他进程。而多线程环境中,父线程
终止,全部子线程被迫终止(没有了资源)。而任何一个子线程终止一般不会影响其他线程
,除非子线程执行了exit()系统调用。任何一个子线程执行exit(),全部线程同时灭亡。

可以看出,进程和线程是包含的关系。

2、idle进程:init_task在创建了init进程后,调用cpu_idle()后演变为idle进程。

3、1号进程:在init_task演变为idle进程后,执行一次调度,init进程运行,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,然后调用do_execve加载init程序,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态进程。

4、kthreadd(PID为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。

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