lab3：跟踪分析Linux内核的启动过程

 

李俊锋 + 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

 

一.实验原理

 

1.1课堂笔记

 

 

三个法宝：存储程序计算机，函数调用堆栈，中断
两把宝剑：中断上下文的切换（保存现场，回复现场），进程上下文的切换

linux内核源码的目录结构：
arch：支持不同cpu的代码，我们比较关心x86文件夹
init文件夹，main.c start_kernel
ipc：进程通信

start_kernel代码：
init_task：即手工创建的PCB，0号进程即最终的idle进程。
trap_init：设置中断向量
rest_init：创建1号进程，它是一直存在的0号进程。

老师口误纠正：init是第一个用户态进程，是1号进程

 

1.2 计算机的启动过程概述

 

• x86 CPU启动的第一个动作CS:EIP=FFFF:0000H（换算为物理地址为000FFFF0H，因为16位CPU有20根地址线)，即BIOS程序的位置。http://wenku.baidu.com/view/4e5c49eb172ded630b1cb699.html

• BIOS例行程序检测完硬件并完成相应的初始化之后就会寻找可引导介质，找到后把引导程序加载到指定内存区域后，就把控制权交给了引导程序。这里一般是把硬盘的第一个扇区MBR和活动分区的引导程序加载到内存（即加载BootLoader），加载完整后把控制权交给BootLoader。

• 引导程序BootLoader开始负责操作系统初始化，然后起动操作系统。启动操作系统时一般会指定kernel、initrd和root所在的分区和目录，比如root (hd0,0)，kernel (hd0,0)/bzImage root=/dev/ram init=/bin/ash，initrd (hd0,0)/myinitrd4M.img

• 内核启动过程包括start_kernel之前和之后，之前全部是做初始化的汇编指令，之后开始C代码的操作系统初始化，最后执行第一个用户态进程init。

• 一般分两阶段启动，先是利用initrd的内存文件系统，然后切换到硬盘文件系统继续启动。initrd文件的功能主要有两个：1、提供开机必需的但kernel文件(即vmlinuz)没有提供的驱动模块(modules) 2、负责加载硬盘上的根文件系统并执行其中的/sbin/init程序进而将开机过程持续下去

 

1.3 linux目录结构

 

arch：arch是architecture的缩写。内核所支持的每种CPU体系，在该目录下都有对应的子目录。每个CPU的子目录，又进一步分解为 boot,mm,kernel等子目录，分别包含控制系统引导，内存管理，系统调用等。

block：部分块设备驱动程序。

crypto：加密、压缩、CRC校验算法。

documentation：内核的文档。

drivers：设备驱动程序。

fs：存放各种文件系统的实现代码。每个子目录对应一种文件系统的实现，公用的源程序用于实现虚拟文件系统vfs。

include：内核所需要的头文件。与平台无关的头文件在include/linux 子目录下，与平台相关的头文件则放在相应的子目录中。

 

init：内核初始化代码。

ipc：进程间通信的实验代码。

kernel：Linux大多数关键的核心功能都是在这个目录实现。（调度程序，进程控制，模块化）

lib：库文件代码。

mm：mm目录中的文件用于实现内存管理中与体系结构无关的部分。

net：网络协议的实现代码。

samples：一些内核编程的范例。

scripts：配置内核的脚本。

security:SELinux的模块。

sound：音频设备的驱动程序。

usr：cpio命令实现。

virt：内核虚拟机。

 

1.4 start_kernel函数（linux-3.18.6）详细解析，了解Linux内核的启动过程，即从start_kernel到init进程启动。

 （由于函数中的代码很多，下面只列举除了几个具有代表性的）

char * command_line; 命令行，用来存放bootloader传递过来的参数

lockdep_init();  建立一个哈希表(hash tables)，就是一个前后指向的指针结构体数组。 【函数的主要作用是初始化锁的状态跟踪模块。由于内核大量使用锁来进行多进程多处理器的同步操作，死锁就会在代码不合理的时候出现，但是要定位哪个锁比较困难，用哈希表可以跟踪锁的使用状态。死锁情况：一个进程递归加锁同一把锁；同一把锁在两次中断中加锁；几把锁形成闭环死锁】

smp_setup_processor_id(); 针对SMP处理器，用于获取当前CPU的硬件ID，如果不是多核，函数为空 【判断是否定义了CONFIG_SMP，如果定义了调用read_cpuid_mpidr读取寄存器CPUID_MPIDR的值，就是当前正在执行初始化的CPU ID，为了在初始化时做个区分，初始化完成后，所有处理器都是平等的，没有主从】

debug_objects_early_init();  初始化哈希桶(hash buckets)并将static object和pool object放入poll列表，这样堆栈就可以完全操作了 【这个函数的主要作用就是对调试对象进行早期的初始化，就是HASH锁和静态对象池进行初始化，执行完后，object tracker已经开始完全运作了】

boot_init_stack_canary(); 初始化堆栈保护的加纳利值，防止栈溢出攻击的堆栈保护关键字 

cgroup_init_early();  在系统启动时初始化cgroups，同时初始化需要early_init的子系统 【这个函数作用是控制组(control groups)早期的初始化，控制组就是定义一组进程具有相同资源的占有程度，比如，可以指定一组进程使用CPU为30%，磁盘IO为40%，网络带宽为50%。目的就是为了把所有进程分配不同的资源】

local_irq_disable(); 关闭当前CPU的所有中断响应，操作CPSR寄存器。对应后面的

early_boot_irqs_disabled= true;系统中断关闭标志，当early_init完毕后，会恢复中断设置标志为false。

boot_cpu_init(); 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，即激活当前CPU 【在多CPU的系统里，内核需要管理多个CPU，那么就需要知道系统有多少个CPU，在内核里使用cpu_present_map位图表达有多少个CPU，每一位表示一个CPU的存在。如果是单个CPU，就是第0位设置为1。虽然系统里有多个CPU存在，但是每个CPU不一定可以使用，或者没有初始化，在内核使用cpu_online_map位图来表示那些CPU可以运行内核代码和接受中断处理。随着移动系统的节能需求，需要对CPU进行节能处理，比如有多个CPU运行时可以提高性能，但花费太多电能，导致电池不耐用，需要减少运行的CPU个数，或者只需要一个CPU运行。这样内核又引入了一个cpu_possible_map位图，表示最多可以使用多少个CPU。在本函数里就是依次设置这三个位图的标志，让引导的CPU物理上存在，已经初始化好，最少需要运行的CPU。

page_address_init();  初始化高端内存的映射表

setup_arch(&command_line);内核架构相关初始化函数，是非常重要的一个初始化步骤。其中包含了处理器相关参数的初始化、内核启动参数(tagged list)的获取和前期处理、内存子系统的早期初始化(bootmem分配器)

trap_init(); 对内核陷阱异常进行初始化，在ARM系统里是空函数，没有任何的初始化

mm_init(); 标记哪些内存可以使用，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();  对进程调度器的数据结构进行初始化，创建运行队列，设置当前任务的空线程，当前任务的调度策略为CFS调度器

rest_init():  创建1号进程，它是一直存在的0号进程。

 

二.实验过程

 

2.1启动内核

（1）使用实验楼的实验环境，输入如下命令：

cd LinuxKernel/

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

（2）可以看到内核成功启动，如下图所示：

 

 （3）目前它只支持三种命令：

 1.help

 2.version

3.quit

 

2.2 使用gdb调试内核

（1）输入如下命令开启内核，并使内核处于冻结状态：

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

 

（2）开启gdb调试，并连接到内核上

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 # 断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后

 

（3）在start_kernel设置断点之后，运行到该函数处，并列出函数代码：

（4）在rest_init函数处下断点，并列出函数代码：

 

四.实验总结

 

Linux系统启动过程：

在linux系统内核启动时会首先调用start_kernel函数，在该函数中会对cpu驱动等硬件驱动，文件系统等进行初始化。在初始化结束后，就会调用rest_init创建0号进程，

在0号进程中会调用1号进程，之后会调用进程的调度函数。idle进程就是0号进程。

 系统允许一个进程创建新进程，新进程即为子进程，子进程还可以创建新的子进程，形成进程树结构模型。整个linux系统的所有进程也是一个树形结构。树根是系统自动构造的，

即在内核态下执行的0号进程，它是所有进程的祖先。由0号进程创建1号进程（内核态），1号负责执行内核的部分初始化工作及进行系统配置，并创建若干个用于高速缓存和虚拟主

存管理的内核线程。随后，1号进程调用execve（）运行可执行程序init，并演变成用户态1号进程，即init进程。它按照配置文件/etc/initab的要求，完成系统启动工作，创建编号

为1号、2号...的若干终端注册进程getty。

每个getty进程设置其进程组标识号，并监视配置到系统终端的接口线路。当检测到来自终端的连接信号时，getty进程将通过函数execve（）执行注册程序login，此时用户就可输入

注册名和密码进入登录过程，如果成功，由login程序再通过函数execv（）执行shell，该shell进程接收getty进程的pid，取代原来的getty进程。再由shell直接或间接地产生其他进程。

 

本次实验虽然不需要写代码，但主要是对代码的理解，这次实验让我对linux内核的启动有了一定的了解，这次实验让我深深的感受到了linux内核的代码量的庞大，希望自己能坚持不懈

的把这门课上好。