基于VSCode的Linux内核搭建以及start_kernel跟踪分析

安装开发工具

sudo apt install build_essential

sudo apt install qemu

sudo apt install libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev//编译依赖

下载内核源码

sudo apt install axel

axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz

xz -d linux-5.4.34.tar.xz

tar -xvf linux-5.4.34.tar//解压文件

cd linux-5.4.34

配置内核选项

make deconfig //Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
//在这里若使用的ubuntu版本不是18，则默认配置失败
make menuconfig//打开debug相关选项

显示界面如下

按Enter回车进入“—>”和Space空格键改动“[ ] [*]”来分别进行下面设置：

Kernel hacking —>
Compile-time checks and compiler options —>
[] Compile the kernel with debug info
[] Provide GDB scripts for kernel debugging
[*] Kernel debugging=
//关闭KASLR（随机地址），否则会导致打断点失败。这样调试器就可以跟踪到源代码，之所以设置随机地址为了防止黑客攻击:
Processor type and features ---->
[ ] Randomize the address of the kernel image (KASLR)

编译和运行内核

make -j$(nproc) # nproc gives the number of CPU cores/threads available
# 编译过程较久
# 测试一下内核能不能正常加载运行，因为没有文件系统最终会kernel panic
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

编译的过程会比较久，需要耐心等候

编译完成后进行测试，测试结果如下：

出现了Kernel Panic

制作根文件系统

电脑加电启动首先由bootloader加载内核，内核紧接着需要挂载内存根文件系统，其中包含必要的设备驱动和工具，bootloader加载根文件系统到内存中，内核会将其挂载到根目录/下，然后运行根文件系统中init脚本执行一些启动任务，最后才挂载真正的磁盘根文件系统。

首先从https://www.busybox.net下载 busybox源代码解压，解压完成后，跟内核一样先配置编译，并安装。

axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2
 
tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2
 
cd busybox-1.31.1

make menuconfig
#记得要编译成静态链接，不用动态链接库。

Settings —>
[*] Build static binary (no shared libs)静态编译

然后编译安装，默认会安装到源码目录下的 _install 目录中。

make -j$(nproc) && make install

回到linux-5.4.34文件夹，然后制作内存根文件系统镜像，大致过程如下：

cd ../linux-5.4.34

mkdir rootfs
 
cd rootfs
 
cp ../busybox-1.31.1/_install/* ./ -rf
 
mkdir dev proc sys home
 
sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/

接下来准备init脚本文件放在根文件系统跟目录下（rootfs/init），添加如下内容到init文件：（使用touch init 创建init脚本文件，再“vim init”打开init文件，再按i进入插入模式，粘贴进去，再按ESC进入命令模式，:wq保存并退出即可。）

#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
echo "Wellcome LHYOS!"
echo "--------------------"
cd home
/bin/sh

其中mount命令是对proc和sys进行挂载。

接下来对脚本添加可执行权限：

chmod +x init

打包成内存根文件系统镜像

find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz 

测试挂载根文件系统，看内核启动完成后是否执行init脚本

qemu-system-x86_64 -kernel ./arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz 

可以观察到init脚本执行成功，可以进行gdb调试。

gdb调试

执行以下语句运行init脚本

qemu-system-x86_64 -kernel ./arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s
#其中-S意思是Stopped，-s为gdb提供一个调试端口tcp:1234。 

观察到内核运行停止，此时打开另一个终端，输入命令：

gdb vmlinux

此时可以使用gdb进行跟踪

安装VSCode进行linux内核调试

首先在linux系统下载vscode安装包，打开ubuntu自带的火狐浏览器下载：官方下载地址，选择.deb下载选项，这里我下载的是：

然后执行安装命令 sudo apt install ./.deb，我的文件对应的安装命令是：

sudo apt install ./vscode.deb

    还要安装VSCode插件C/C++ Intellisense和C/C++ Themes。由于插件C/C++ Intellisense需要GNU Global，还需要使用如下命令安装GNU Global。

sudo apt install global

在vscode中安装这几个扩展

准备在vscode中打开前面准备好的linux-5.4.34文件夹，需要做两件事情

1. 命令行输入以下

python ./scripts/gen_compile_commands.py

这里的解释是：由于 Linux 内核高度定制化，所以没有办法直接通过配置 includePath 等让 Intellisense 正常提示，这里借助一个 Python 脚本来生成 compile_commands.json 文件帮助 Intellisense 正常提示（包括头文件和宏定义等）。在Linux源代码目录下直接运行如下命令就可以生成 compile_commands.json 了。

2. 需要在linux-5.4.34文件夹下在此之前直接先手动放好配置文件：新建一个.vscode文件夹，（需要点击ctrl+h显示隐藏文件）把配置文件里的文件全部放入.vscode文件夹内：

接下来vscode中的隐藏.vscode文件夹出现

同时对task.json中的command进行更改

还有setting.json里最后这个"Disabled"按照我的vscode提示改成了"disabled"

跟踪分析

因为linux内核的起点是"start_kernel"函数，因此先在start_kernel处打断点：点击运行和调试图标，在断点里增加函数断点：start_kernel

点击运行–启动调试，从start_kernel开始进行跟踪分析。

可以看到程序执行停在了start_kernel处
点击单点跳过，这里我们看到了0号进程init_task被设置整个系统的第一个进程(0进程是手工创建的，其他进程都是0号进程创建的)在内核引导时，init_task会被创建并启动，它是所有其他进程的起点。

继续跳过，start_kernel会继续执行一些初始化操作，包括初始化各种重要的数据结构、驱动程序、中断处理程序等。在这个阶段，内核会建立好一些必要的核心数据结构，如物理内存管理器、虚拟内存管理器，以及进程调度器等。

最后来到start_kernel的结尾arch_call_reset_init()，这个点开这个函数的定义是执行了reset_init()函数，因此我们再设置一个函数断点"reset_init"，继续点击单点跳过发现就进入了reset_init函数内部。这个函数是由0号进程执行的。



继续执行，这时候遇到了kernel_init，即1号进程，它是所有用户进程的祖先，由kernel_thread函数创建，kernel_thread函数创建一个新的内核线程(实际linux不支持线程所以是一个内核进程），该线程的入口地址是kernel_init()函数。

点开kernel_thread函数的定义

发现kernel_thread函数是通过_do_fork函数来创建进程的。

_do_fork函数主要完成了调用copy_process()复制父进程、调用wake_up_new_task将子进程加入就绪队列等待调度执行等。

这里copy_process点进去还有调用dup_task_struct函数等过程，放上do_fork的过程，借用老师ppt的图一目了然：

接下来在新线程（进程）中运行kernel_init()函数， 点开kernel_init()函数，可以看出，在这个里面调用了run_init_process函数：

ramdisk_execute_command 可以通过 uboot 在环境变量中指定。execute_command也是一个全局的 char 指针变量，值也可以通过u-boot 传递。

所以这两个没有值就按顺序再尝试跳转到/sbin/init、/etc/init、/bin/init、/bin/sh去启动用户空间的init程序。而run_init_process函数则使用了do_execve函数:

do_execve加载可执行文件，运行init程序，执行exec系统调用，

-> do_execve() –> do_execveat_common() -> __do_execve_file -> exec_binprm()-> search_binary_handler() -> load_elf_binary() -> start_thread()

这样1号进程就完成了用户态初始化。

接下来是2号进程的创建，2号进程是所有内核进程的祖先，kernel_thread创建了2号进程，同时进程执行的函数是kthreadd：

查看kthreadd函数，做完一些初始化设置后，发现2号进程在不停地查看是否有需要创建的内核进程，如果kthread_create_list不空即有需要创建的内核进程，则就创建否则就执行schedule函数


reset_init函数继续执行，最后调用了cpu_startup_entry，设置断点查看这个函数，发现它最后执行了while(1)无限循环，循环内执行do_idle函数，总结就是：

• 在do_idle()中，代码会不断地轮询，判断当前系统是否需要调度，如果系统当前不需要调度，则进入到idle状态。

这样循环的意义就是：调度系统负责考评系统中所有的进程。只要有哪个需要被运行，调度系统就会终止cpu_idle死循环进程（空闲进程）转而去执行有意义的干活的进程。

以上start_kernel分析完毕