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配置VSCode
因为Linux内核高度多样化,所以没有办法直接通过配置includePath等让Intellisense正常提示,这儿利用一个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。
python ./scripts/gen_compile_commands.py
安装VSCode插件C/C++Intellisense和C/C++Themes
因为插件C/C++Intellisense须要GNUGlobal,还须要使用如下命令安装GNUGlobal。
sudo apt install global
配置VSCode配置文件.vscode/c_cpp_properties.json
这样VSCode能够手动搜索跳转到函数定义了,阅读代码会便捷好多。因为Linux内核代码十分庞大,为加速搜索速率还可以设置排除一些干扰文件,例如更改配置文件.vscode/settings.json
配置VSCode调试Linux内核
命令行下打断点跟踪代码还是不够便捷,用VSCode边看代码随时打断点单步执行会更便捷一些,这须要配置.vscode/tasks.json和.vscode/launch.json。
配置文件参见
编译配置安装Linux内核的步骤
(1)安装开发工具
(2)下载内核源代码
(3)打算配置文件.config
(4)makemenuconfig:配置内核选项
(5)make[-j#]编译内核
(6)makemodules_install:安装模块
(7)makeinstall:安装内核文件
(8)安装bzImage
(9)生成initramfs根文件系统镜像,也习惯于命名为rootfs
(10)编辑bootloader的配置文件启用新内核
(1)安装开发工具
sudo apt install build-essential
sudo apt install qemu # install QEMU
sudo apt install libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
sudo apt install axel
(2)下载内核源代码
以下linux-5.4.34/busybox-1.31.1/rootfs均在根目录下
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
(3)配置内核选项
“更新”模式进行配置Linux内核:
(a)makeconfig:基于命令行以遍历的方法去配置内核中可配置的每位选项。
(b)makemenuconfig:基于curses的文本窗口界面。
(c)makegconfig:基于GTK(GNOME)环境窗口界面。
(d)makexconfig:基于QT(KDE)环境的窗口界面。
“全新配置”模式进行配置重新生成.config文件的方式:
(a)makedefconfig:基于本机内核为目标平台提供的“默认”配置进行配置。
(b)makeallyesconfig:所有选项均回答为“yes”。
(c)makeallnoconfig:所有选项均回答为"no”。
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
make menuconfig
# 打开debug相关选项 输入y和n进行选中或取消选中
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)
(5)编译和运行内核
make -j$(nproc) # nproc gives the number of CPU cores/threads available
#测试一下内核能不能正常加载运行,由于没有文件系统最终会kernelpanic
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
(6)制做根文件系统
笔记本加电启动首先由bootloader加载内核,内核紧接着须要挂载显存根文件系统,其中包含必要的设备驱动和工具,bootloader加载根文件系统到显存中,内核会将其挂载到根目录/下,之后运行根文件系统中init脚本执行一些启动任务,最后才挂载真正的c盘根文件系统。我们这儿为了简化实验环境,仅制做显存根文件系统。这儿利用BusyBox建立极简显存根文件系统,提供基本的用户态可执行程序。
首先从下载busybox源代码解压,解压完成后,跟内核一样先配置编译,并安装。
axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2
tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2
cd busybox-1.31.1
make menuconfig
# 记得要编译成静态链接,不用动态链接库
Settings --->
[*] Build static binary (no shared libs)
(7)编译安装
默认会安装到源码目录下的_install目录中。
make -j$(nproc) && make install
(8)制做显存根文件系统镜像
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,tty3,tty4} dev/
打算init脚本文件置于根文件系统跟目录下(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 "--------------------"
echo "Wellcome to your OS!"
echo "--------------------"
cd home
/bin/sh
给init脚本添加可执行权限
chmod +x init
打包成显存根文件系统镜像
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 linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz
(9)使用gdb跟踪调试Linux内核
使用gdb跟踪调试内核,加两个参数,一个是-slinux伊甸园,在TCP1234端口上创建了一个gdb-server。可以另外打开一个窗口,用gdb把带有符号表的内核镜像vmlinux加载进来,之后联接gdbserver,设置断点跟踪内核。若不想使用1234端口,可以使用-gdbtcp:xxxx来取代-s选项),另一个是-S代表启动时暂停虚拟机安装linux内核源代码,等待gdb执行continue指令(可以缩写为c)。
跟踪调试Linux内核的基本技巧
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s
#纯命令行下启动虚拟机
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s -nographic -append "console=ttyS0"
-S和-s选项:
# -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-gdbtcp:xxxx来代替-s选项
用以上命令先启动,之后可以见到虚拟机一启动就暂停了。加-nographic-append"console=ttyS0"参数启动不会弹出QEMU虚拟机窗口,可以在纯命令行下启动虚拟机,此时可以通过“killallqemu-system-x86_64”命令强行关掉虚拟机。
再打开一个窗口,启动gdb,把内核符号表加载进来,构建联接:
cd linux-5.4.34/
gdb vmlinux
(gdb) target remote:1234
(gdb) b start_kernel
c、bt、list、next、step....
跟踪剖析Linux内核的启动过程内核源码目录剖析
Linux内核剖析中比较重要的是arch目录下的x86目录下的源文件、init目录下的main.c、kernel目录下和进程调度相关的代码等,其他还有显存管理mm、网络net、文件系统fs等代码。
内核启动过程剖析
1、start_kernel()静态创建0号进程init_task
2、res_init()-----》kernel_thread()-fork1号进程-----》kernel_init()-----》run_init_process()-----》do_execve()
3、kernel_thread()-2号进程kthreadd
要弄清楚Linux内核从那里开始执行的,有一个关键目录是init目录,内核启动相关的代码都在这个目录下。在init目录下有main.c源文件。普通C代码程序是从main函数开始运行的,C程序的阅读通常也从main函数开始。init目录中的main.c源文件是整个Linux内核启动的起点,但它的起点不是main函数安装linux内核源代码,而是main.c源文件中的start_kernel函数,start_kernel函数是初始化Linux内核启动的起点suse linux,start_kernel前的代码使用汇编语言来进行硬件初始化。
start_kernel()/linux-5.4.34/init/main.c(576行)
全局变量init_task,即手工创建的(0号进程的)PCB,0号进程即最终的idle进程
init_task进程在Linux中属于一个比较特殊的进程,它是内核开发者人为制造下来的,而不是其他进程通过do_fork来完成,init_task进程的内核栈通过静态方法分配
1)lockdep_init():初始化内核依赖关系表,初始化hash表
2)boot_init_stack_canary():为栈增加保护机制,预防一些缓冲区溢出之类的攻击
3)tick_init():初始化内核时钟系统
4)boot_cpu_init():激活当前CPU
5)setup_arch():对不同体系结构的CPU设置不同的参数、选项等
6)trap_init():初始化硬件中断,函数中设置了很多中断门
7)mm_init():建立内核的内存分配器
8)sched_init():初始化任务调度
9)init_IRQ():中断向量的初始化
10)set_intr_gate,设置了很多中断门
11)set_system_trap_gate,设置系统陷阱门,系统调用
….
rest_init():Linux内核初始化的尾声,做了好多剩下的初始化工作。
从rest_init开始,Linux开始形成进程,由于init_task是静态制造下来的,pid=0,它企图将从最早的汇编代码仍然到start_kernel的执行都列入到init_task进程上下文中。在rest_init函数中,内核将通过下边的代码形成第一个真正的进程(pid=1)
kernel_thread():创建一个内核线程,实际上就是内核进程,Linux内核是不支持类似WindowsNT一样的线程概念的。Linux本质上只支持进程。这儿的kernel_init只是一个函数
kernel_init():/linux-5.4.34/init/main.c(1106行)会通过调用do_execve来执行根文件系统下的/sbin/init文件(所以此前根文件系统必须早已就绪),do_execve对用户空间程序/sbin/init的调用发起自int$0x80,这是个从内核空间发起的系统调用
run_init_process():实际上是通过嵌入汇编建立一个类似用户态代码一样的do_execve()调用,其参数就是要执行的可执行文件名,也就是这儿的init进程在c盘上的文件
这儿的run_init_process就是通过execve()来运行init程序。这儿首先运行“/sbin/init”,假如失败再运行“/etc/init”,之后是“/bin/init”,之后是“/bin/sh”(也就是说,init可执行文件可以放到前面代码中找寻的4个目录中都可以),倘若都失败,则可以通过在系统启动时再添加的启动参数来指定init,例如init=/home/rootfs/init。这儿是内核初始化结束并开始用户态初始化的阴阳界
init进程是Linux系统的第一个用户态进程,为1号进程,没有父进程,由Linux内核直接启动
接出来还创建了一个kthreadd内核线程,来管理系统的资源
此时init_task的任务基本上早已完全结束了,它将沦落为一个idletask,事实上在更早前的sched_init()函数中,通过init_idle(current,smp_processor_id())函数的调用就早已把init_task初始化成了一个idletask,init_idle函数的第一个参current就是&init_task,在init_idle上将会把init_task加入到cpu的运行队列中,这样当运行队列中没有别的就绪进程时,init_task(也就是idletask)将会被调用,它的核心是一个while(1)循环,在循环中它将会调用schedule函数便于在运行队列中有新进程加入时切换到该新进程上
以上内核启动过程剖析均来自:
其他参考链接: