网易云课堂 Linux内核分析期末总结

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1. 网易云课堂 Linux内核分析（一）
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课程总结

第一周：反汇编一个C语言小程序

对寄存器的作用，以及汇编代码的基础知识有了一定得了解，C语言中程序的调用，在底层汇编是如何实现的有了一定的认识。

第二周：完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码

简单模拟内核代码。主要包括函数调用堆栈、函数堆栈框架、内核的初始化、中断、进程上下文切换过程的简述以及基于时间片轮转的多道程序模拟。

• 通过mykernel小程序，对进程的启动和切换机制有了深刻的理解
• 操作系统的三个法宝：存储程序计算机、函数调用堆栈、中断机制
• 操作系统的两把宝剑：中断上下文、进程上下文的切换

第三周：跟踪分析Linux内核的启动过程

计算机是通过执行指令来完成一系列操作，这其中很重要的一点就是eip寄存器，它给cpu指明了下一条要执行的指令是谁。因此，x86计算机启动的第一个动作就是从硬盘固定位置读取BIOS程序位置到eip中，然后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，然后启动操作系统。

在start_kernel中，创建了系统的第一个进程，即0号进程。
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）

第四周：使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码两种方式使用同一个系统调用

关于系统调用的知识。主要包括对系统调用与用户态、内核态的理解、通过编写汇编代码了解系统调用机制。

系统调用：即便是最简单的程序，在进行输入输出等操作时也会需要调用操作系统所提供的服务，也就是系统调用。Linux下的系统调用是通过中断（int 0x80）来实现的。

传递参数：在执行int 80指令时，寄存器 eax 中存放的是系统调用的功能号，而传给系统调用的参数则必须按顺序放到寄存器 ebx，ecx，edx，esi，edi 中，当系统调用完成之后，返回值可以在寄存器 eax 中获得。Linux 采用的是 C 语言的调用模式，这就意味着所有参数必须以相反的顺序进栈，即最后一个参数先入栈，而第一个参数则最后入栈。

系统调用不但把用户从底层的硬件编程中解放出来，提高了编程的效率，也极大的提高了系统的安全性。

第五周：分析system_call中断处理过程

添加一个自己编写的系统调用，加深对系统调用在内核代码中的处理过程的理解。

系统调用通过SAVE ALL保存上下文，调用内核函数，执行RESTORE_ALL并返回用户模式。

第六周：分析Linux内核创建一个新进程的过程

关于进程的描述和创建。主要包括PCB的组织形式、进程的数据结构进程描述符、fork系统调用的关键执行过程。

创建的新进程从哪里开始执行？

新进程是从ret_from_fork处开始执行的。对于fork执行处理过程来说，父子进程共享同一段代码空间，”一次调用，两次返回“，其实对于调用fork的父进程来说，如果fork出来的子进程没有得到 调度，那么父进程从fork系统调用返回，同时分析sys_fork知道，fork返回的是子进程的id。再看fork出来的子进程，由 copy_process函数可以看出，子进程的返回地址为ret_from_fork（和父进程在同一个代码点上返回），返回值直接置为0。所以当子进 程得到调度的时候，也从fork返回，返回值为0。ret_from_fork()调用schedule_tail()函数，用存放在栈中的值再装入所有寄存器，并强迫CPU返回到用户态。这样，eax寄存器就装过两个值，一个是子进程的值0，一个是父进程的值——子进程的PID。然后在fork()、vfork()或clone()返回时，新进程将开始执行。在不同的进程中返回不同的值。

第七周：Linux内核如何装载和启动一个可执行程序

Linux 系统通过用户态 execve 函数调用内核态 sys_execve 系统调用，负责将新的程序代码和数据替换到新的进程中，打开可执行文件，载入依赖的库文件，申请新的内存空间，最后执行 start_thread 函数设置 new_ip 和 new_sp，完成新进程的代码和数据替换，然后返回并执行新的进程代码。 具体的执行流程即sys_execve -> do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm -> search_binary_handler -> load_binary ->(对于我们这里的ELF，会跳转到)load_elf_binary （也执行了elf_format）-> start_thread

第八周：理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

操作系统中进程的调度是非常常见的一种状态，无论采用何种调度册策略，它都是从进程队列中选择了一个新进程而已。因此，掌握进程调度的时机与进程上下文的切换非常重要。

Linux系统的一般执行过程

最一般情况：正在运行的用户态进程X切换到运行用户态进程Y的过程

正在运行的用户态进程X
发生中断——save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack,then load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).
SAVE_ALL //保存现场
中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch_to做了关键的进程上下文切换
标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过因此可以从标号1继续执行)
restore_all //恢复现场
iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
继续运行用户态进程Y
特殊情况

通过中断处理过程中的调度，用户态进程与内核进程之间互相切换，与一般情形类似；
内核进程程主动调用 schedule 函数，只有进程上下文的切换，没有中断上下文切换；
创建子进程的系统调用在子进程中的执行起点及返回用户态，如：fork；
加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如：execve；

总结

Linux是计算机专业得学生一定要掌握得一门操作系统，在全部的课程中，我对Linux内核中的核心部分有了较全面的了解。对内核的启动、系统调用的执行过程、中断、进程的创建、切换等方面有了新的认识，阅读大牛们的Linux内核源码，使我对编码有了更深入的认识。孟老师的网课，这是我上的第二门，收获颇丰，值得回味。

遗憾

Linux内核博大精深，只掌握了皮毛，源码也有很多读不懂的地方。实验可能做的也比较按部就班，对Linux的学习是一个漫长的过程吧。