Linux操作系统分析学习总结

qq_41822154 2022-07-05 19:53:34

一、myKernel

环境：Ubuntu 18.04

具体步骤：

获取mykernel补丁包
安装axel，下载linux-5.4.34源码压缩包
解压linux-5.4.34源码
往源码中打入mykernel补丁
安装编译工具、依赖库
make编译
安装qemu，通过qemu运行linux-5.4.34

wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
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
cd linux-5.4.34
patch -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
make -j$(nproc)
sudo apt install qemu # install QEMU
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

实验结果：

mykernel提供了一个周期性发生的时钟中断，周期性地产生时钟中断信号，从而周期性地执行中断处理程序（即my_timer_handler函数）

二、Debug Linux Kernel

环境：Ubuntu 18.04

具体步骤：

1.和上一个实验一样，下载解压linux-5.4.34源码

2.配置内核选项

make defconfig
make menuconfig
# 打开debug相关选项
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，否则会导致打断点失败
Processor type and features ---->
    [] Randomize the address of the kernel image (KASLR)

3.编译和运行内核

make -j$(nproc)
# 测试内核能否正常运行，因为没有文件系统最终会kernel panic
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

由于还没有挂载根文件系统，出现kernel panic

4.制作根文件系统

# 下载busybox源代码
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
# 编译成静态链接
Settings  --->
    [*] Build static binary (no shared libs)   
# 编译安装
make -j$(nproc) && make install

# 制作内存根文件系统镜像
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,ty3,tty4} dev/

准备init脚本文件放在根文件系统根目录下(rootfs/init)，添加如下内容到init文件

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

打包成内存根文件系统镜像

# 给init文件加权限
chmod +x init

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

#测试挂载根文件系统
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz

内核成功启动，并执行了init脚本文件中的内容，打印出了“Welcome！”，并且成功运行了shell程序

5.跟踪调试Linux内核

qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s

另开一个窗口，用gdb把带有符号表的内核镜像vmlinux加载进来，然后连接gdb server，设置断点跟踪内核

cd linux-5.4.32/

gdb vmlinux

(gdb) target remote:1234

(gdb) b start_kernel

c、bt、list、next、step....

在start_kernel处打一个断点，然后输入list可以看到中断处的代码，输入c则继续执行直到内核完全启动

三、学习收获

本学期选修了孟老师和李老师一同授课的《Linux操作系统分析》，课程从存储程序计算机（冯诺依曼结构）入手，引出函数调用堆栈框架，分别介绍了x86和arm64指令集架构，在函数调用堆栈框架的基础之上讲解了系统调用，用户程序通过系统调用陷入内核，完成用户态到内核态的切换，然后介绍了Linux文件系统，在Linux中万物皆文件的概念之上了解了设备驱动程序，最后介绍了容器和虚拟化技术。

课程安排十分合理，两位老师讲课深入浅出。通过《Linux操作系统分析》，将我之前获取的零散Linux操作系统知识整合起来，让我对Linux操作系统有了更深层次的理解。