从mykernel小程序分析linux内核代码
1.mykernel程序
程序部署
sudo apt-get install qemu # install QEMU
sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.9.4.tar.xz # download Linux Kernel 3.9.4 source code
wget https://raw.github.com/mengning/mykernel/master/mykernel_for_linux3.9.4sc.patch # download mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
xz -d linux-3.9.4.tar.xz
tar -xvf linux-3.9.4.tar
cd linux-3.9.4
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
从qemu窗口中您可以看到my_start_kernel在执行，同时my_timer_handler时钟中断处理程序周期性执行。
cd mykernel 您可以看到qemu窗口输出的内容的代码mymain.c和myinterrupt.c
当前有一个CPU执行C代码的上下文环境，同时具有中断处理程序的上下文环境，我们初始化好了系统环境。
您只要在mymain.c基础上继续写进程描述PCB和进程链表管理等代码，在myinterrupt.c的基础上完成进程切换代码，一个可运行的小OS kernel就完成了。
start to write your own OS kernel,enjoy it!
运行结果
实验过程截图如下：
代码分析
关闭运行着的qemu，进入mykernel查看源代码，可以看到以下文件
打开mymain.c，看到代码
可以看到这里有个名为“__init my_start_kernel()”的函数，函数体力有个while死循环，不停地打印"my_start_kernel here"这句话，就解释了刚才qemu为何一直打印输出这句话。
这个文件中只有一个名为 “my_timer_handler()”的函数，打印“my_timer_handler”这句话。
通过以上实验我们可以发现，mykernel在启动之后，系统调用my_start_kernel函数，并周期性调用my_timer_handler函数。
2.时间片轮转多道批处理程序内核代码分析
程序部署和运行
（1）获取源码，感谢孟老师在 https://github.com/mengning/mykernel 提供的代码。修改mymain.c myinterrupt.c mypcb.h三个文件。
（2）从github中copy文件，进入mykernel文件夹，覆盖原来的mymain.c myinterrupt.c 新建mypcb.h。
（3）重新编译内核，在LinuxKernel/linux-3.9.4文件夹下，执行下面的命令。
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
运行结果
代码分析
mypcb.h ： 进程控制块PCB结构体定义。
mymain.c： 初始化各个进程并启动0号进程。
myinterrupt.c：时钟中断处理和进程调度算法。
mypcb.h：
/*
* linux/mykernel/mypcb.h
*
* Kernel internal PCB types
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#define MAX_TASK_NUM 4
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
unsigned long ip;
unsigned long sp;
};
typedef struct PCB{
int pid;
volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
char stack[KERNEL_STACK_SIZE];
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread thread;
unsigned long task_entry;
struct PCB *next;
}tPCB;
void my_schedule(void);
在这个文件里，定义了 Thread 结构体，用于存储当前进程中正在执行的线程的ip和sp，PCB结构体中的各个字段含义如下
pid：进程号
state：进程状态，在模拟系统中，所有进程控制块信息都会被创建出来，其初始化值就是-1，如果被调度运行起来，其值就会变成0
stack：进程使用的堆栈
thread：当前正在执行的线程信息
task_entry：进程入口函数
next：指向下一个PCB，模拟系统中所有的PCB是以链表的形式组织起来的。
my_schedule声明，在myinterrupt.c中实现，在mymain.c中的各个进程函数会根据一个全局变量的状态来决定是否调用它，从而实现主动调度。
mymain.c:
/*
* linux/mykernel/mymain.c
*
* Kernel internal my_start_kernel
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#include <linux/types.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#include "mypcb.h"
tPCB task[MAX_TASK_NUM];
tPCB * my_current_task = NULL;
volatile int my_need_sched = 0;
void my_process(void);
void __init my_start_kernel(void)
{
int pid = 0;
int i;
/* Initialize process 0*/
task[pid].pid = pid;
task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;
task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
task[pid].next = &task[pid];
/*fork more process */
for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
{
memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));
task[i].pid = i;
task[i].state = -1;
task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
task[i].next = task[i-1].next;
task[i-1].next = &task[i];
}
/* start process 0 by task[0] */
pid = 0;
my_current_task = &task[pid];
asm volatile(
"movl %1,%%esp\n\t" /* set task[pid].thread.sp to esp */
"pushl %1\n\t" /* push ebp */
"pushl %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip */
"ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to eip */
"popl %%ebp\n\t"
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) /* input c or d mean %ecx/%edx*/
);
}
void my_process(void)
{
int i = 0;
while(1)
{
i++;
if(i%10000000 == 0)
{
printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
if(my_need_sched == 1)
{
my_need_sched = 0;
my_schedule();
}
printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
}
}
}
my_start_kernel 是系统启动后最先调用的函数，在这个函数里完成了0号进程的初始化和启动，并创建了其它的进程PCB，以方便后面的调度。在模拟系统里，每个进程的函数代码都是一样的，即 my_process 函数，my_process 在执行的时候，会打印出当前进程的 id，从而使得我们能够看到当前哪个进程正在执行。
myinterrupt.c:
/*
* linux/mykernel/myinterrupt.c
*
* Kernel internal my_timer_handler
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#include <linux/types.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#include "mypcb.h"
extern tPCB task[MAX_TASK_NUM];
extern tPCB * my_current_task;
extern volatile int my_need_sched;
volatile int time_count = 0;
/*
* Called by timer interrupt.
* it runs in the name of current running process,
* so it use kernel stack of current running process
*/
void my_timer_handler(void)
{
#if 1
if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
my_need_sched = 1;
}
time_count ++ ;
#endif
return;
}
void my_schedule(void)
{
tPCB * next;
tPCB * prev;
if(my_current_task == NULL
|| my_current_task->next == NULL)
{
return;
}
printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
/* schedule */
next = my_current_task->next;
prev = my_current_task;
if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
{
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
/* switch to next process */
asm volatile(
"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */
"pushl %3\n\t"
"ret\n\t" /* restore eip */
"1:\t" /* next process start here */
"popl %%ebp\n\t"
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
else
{
next->state = 0;
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
/* switch to new process */
asm volatile(
"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
"movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp */
"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */
"pushl %3\n\t"
"ret\n\t" /* restore eip */
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}
my_time_handler()函数，是个时间片轮转，周期性地发出中断信号，也就是my_need_sched。my_start_kernel()完成每个进程初始化，每个进程的任务都是my_process(),由于这个函数中有个无限循环，任务永远不会结束；并且启动了0号进程。任务需要调度时根据任务链表顺序进行调度。
总结
参考了不少同学的博客，收获很大，这里也引用某位学姐的博客来总结一下。
1.怎么理解中断上下文和进程上下文切换？
可以想象个场景，例如，我们工作时突然来了一个打扰（如电话），需要把手头工作进行到哪里了保存在大脑里，方便接完电话后继续回到工作状态。不论是中断上下文还是进程上下文的切换，都是基于这个原理。
2.怎么理解内核态和用户态？
打个比方，图书馆中，读者可以自由地检索目录、阅读书籍，却无权直接去书库取书，也无权修改图书馆的数据库。而工作人员就在特权状态，可以访问任意资源。这样的划分是为了系统的稳定和安全，也是免去了用户和系统底层打交道的麻烦。
2.怎么理解系统调用？
图书馆中，读者想要借书时，只能填写借书单，由工作人员完成登记和取书工作。“借书单”起到了一个“接口”的作用。在系统中运行的应用程序通过系统调用与内核通信，也是通过系统调用界面陷入内核。而“接口”是实现的关键。
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