期中總結

Linux內核分析期中知識點總結

張若嘉 + 原創做品轉載請註明出處 + 《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
知識歸納：

計算機是如何工做的

• 計算機：計算機實現很複雜的功能，計算和處理大量的數據，其實是經過不斷地重複大量既定的簡單的操做
• 程序：告訴計算機操做的步驟、輸入的數據、如何存放處理後的結果。計算機會盡量忠實地按照程序的順序將每個操做步驟的指令取出，變成機器語言，經過軟硬件協同工做
• 彙編語言：彙編語言是機器語言的一種翻譯。如今編譯器功能強大，彙編語言真正用的時候並很少，但可以看懂彙編語句，在分析程序真正執行的流程、單步調試程序的方面都有很大幫助

操做系統是如何工做的

簡單模擬內核代碼
主要包括：

• 函數調用堆棧
• 函數堆棧框架
• 內核的初始化、中斷、進程上下文切換過程的簡述以及基於時間片輪轉的多道程序模擬

操做系統三個法寶：

• 存儲程序計算機
• 函數調用堆棧
• 中斷機制
  操做系統兩把寶劍：中斷上下文、進程上下文的切換

操做系統核心功能：進程調度和中斷機制，經過與硬件的配合實現多任務處理，再加上上層應用軟件的支持，最終變成可使用戶能夠很容易操做的計算機系統
多進程的Linux操做系統：進程必須等到正在運行的進程空閒CPU後才能運行
進程切換：當正在運行的進程等待其餘的系統資源時，Linux內核將取得CPU的控制權，並將CPU分配給其餘正在等待的進程。進程切換機制中包含esp的切換、堆棧的切換

構造一個簡單的Linux系統MenuOS

生一（start_kernel-->cpu_idle），一輩子二（kernel_init和kthreadd），二生三（即前面0、1和2三個進程），三生萬物（1號進程是全部用戶態進程的祖先，2號進程是全部內核線程的祖先）

跟蹤調試Linux內核的啓動

扒開系統調用的三層皮（上）

系統調用：即使是最簡單的程序，在進行輸入輸出等操做時也會須要調用操做系統所提供的服務，也就是系統調用。Linux下的系統調用是經過中斷（int 0x80）來實現的

傳遞參數：在執行int 80指令時，寄存器 eax 中存放的是系統調用的功能號，而傳給系統調用的參數則必須按順序放到寄存器 ebx，ecx，edx，esi，edi 中，當系統調用完成以後，返回值能夠在寄存器 eax 中得到。Linux 採用的是 C 語言的調用模式，這就意味着全部參數必須以相反的順序進棧，即最後一個參數先入棧，而第一個參數則最後入棧。
用戶態、內核態和中斷處理過程
使用庫函數API和C代碼中嵌入彙編代碼觸發同一個系統調用
使用庫函數API獲取系統當前時間
使用C代碼中嵌入彙編代碼觸發系統調用獲取系統當前時間

扒開應用系統的三層皮（下）

給MenuOS增長time和time-asm命令
使用gdb跟蹤系統調用內核函數sys_time
系統調用在內核代碼中的工做機制和初始化

系統調用就是特殊的一種中斷
系統調用：

• SAVE_ALL保存現場。
• 肯定中斷信息，將系統調用號經過eax傳入，經過sys_call_table查詢到調用的系統調用，而後跳轉到相應的程序進行處理。
• 處理中斷。
• RESTORE_ALL恢復系統調用時的現場，iret返回用戶態。

進程的描述和進程的建立

進程的描述：進程描述符task_struct數據結構

從系統調用的角度理解fork()：一次調用兩次返回（fork系統調用在父進程和子進程各返回一次，子進程中返回的是0，父進程中返回值是子進程的pid）

Linux經過複製父進程來建立一個新進程，經過調用do_fork來實現併爲每一個新建立的進程動態地分配一個task_struct結構
執行起點與內核堆棧保證一致：設置子進程的ip以前：childregs = current_pt_regs();將父進程的regs參數賦值到子進程的內核堆棧，其中存放了SAVE_ALL中壓入棧的參數
新進程的開始：copy_thread()中：p->thread.ip = (unsigned long) ret _from _fork;將子進程的 eip 設置爲ret_from _fork的首地址，子進程從ret_from_fork開始執行的

進程的建立：

• 進程的建立概覽及fork一個進程的用戶態代碼
• 理解進程建立過程複雜代碼的方法
• 瀏覽進程建立過程相關的關鍵代碼
• 建立的新進程是從哪裏開始執行的？

• 使用gdb跟蹤建立新進程的過程
  可執行程序的裝載
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  關於程序的加載過程和ELF文件格式。主要包括獲得一個可執行程序過程、ELF文件格式的結構和靜態連接、可執行程序的靜態加載過程和動態加載過程

  execve執行的時候陷入到內核態，用execve中加載的程序把當前正在執行的程序覆蓋掉，當系統調用返回的時候也就返回到新的可執行程序起點
  預處理、編譯、連接和目標文件的格式：
• 可執行程序是怎麼得來的
• 目標文件的格式ELF
• 靜態連接的ELF可執行文件和進程的地址空間
  可執行程序、共享庫和動態加載：
• 裝載可執行程序以前的工做
• 裝載時動態連接和運行時動態連接應用舉例
  可執行程序的裝載：
• 可執行程序的裝載相關關鍵問題分析
• sys_execve的內部處理過程
• 使用gdb跟蹤sys_execve內核函數的處理過程
• 可執行程序的裝載與莊生夢蝶的故事

• 淺析動態連接的可執行程序的裝載

進程的切換和系統的通常執行過程

進程切換的關鍵代碼switch_to分析：

• 進程進度與進程調度的時機分析
• 進程上下文切換相關代碼分析
  Linux系統的通常執行過程：
• Linux系統的通常執行過程分析
• Linux系統執行過程當中的幾個特殊狀況
  進程調度算法：根據分類不一樣，調度的設計原則也不一樣
  進程的切換：切換地址空間、切換內核堆棧、切換內核控制流程和一些必要的寄存器保存和恢復
  調度時機：內核線程能夠直接調用schedule()進行進程切換（主動），也能夠在中斷處理過程當中進行調度（被動）。用戶態進程沒法實現主動調度，僅能經過陷入內核態後的某個時機點進行調度，即在中斷處理過程當中進行調度
  內核的使用：32位x86系統下，每一個進程的地址空間有4G，用戶態0-3G，3G以上僅內核態能夠訪問。全部進程3G以上是共享的，在內核中代碼段，堆棧段都是相同的，回到用戶態纔不一樣。進程進入內核就都同樣，沒有進程陷入內核就執行0號進程。內核能夠看做各類中斷處理過程和內核線程的集合

Linux內核分析期中學習感想

首先系統的瞭解操做系統內核的相關結構和設計原理，學會了新知識gdb調試的與分析內核代碼的方法。並且經過本次mooc的學習過程當中，我學到的不只是知識，還有的就是學習的能力。一方面是本身學習知識的能力本身閱讀書籍，從書中得到知識的能力。還有就是本身動手作實驗的能力，再也不是單純的從課堂中從課本里從老師地口中獲取知識，也能夠從本身的自主地學習中獲取知識。
可是因爲基礎知識的不夠紮實致使了後面學習上遇到了一些困難，之後學習須要重視基礎知識的掌握。在關於操做系統內核的學習還並非那麼的清晰，有些知識點雖然已經學到但運用起來還並不熟練。還有就是關於操做系統內核的知識還沒能很好的將其組架成一個完整的知識框架，該部分知識還有待學習。

Linux內核分析博客連接彙總

學習總結：
第一週：http://www.cnblogs.com/SUJUr/p/5211488.html
第二週：http://www.cnblogs.com/SUJUr/p/5244505.html
第三週：http://www.cnblogs.com/SUJUr/p/5255808.html
第四周：http://www.cnblogs.com/SUJUr/p/5281234.html
第五週：http://www.cnblogs.com/SUJUr/p/5316270.html
第六週：http://www.cnblogs.com/SUJUr/p/5330536.html
第七週：http://www.cnblogs.com/SUJUr/p/5359978.html
第八週：http://www.cnblogs.com/SUJUr/p/5392271.html