第四部分完结!操作系统启动完毕!

低并发编程

共 4405字,需浏览 9分钟

 ·

2022-06-07 23:54

新读者看这里,老读者直接跳过。


本系列会以一个读小说的心态,从开机启动后的代码执行顺序,带着大家阅读和赏析 Linux 0.11 全部核心代码,了解操作系统的技术细节和设计思想。


本系列的 GitHub 地址如下,希望给个 star 以示鼓励(文末阅读原文可直接跳转,也可以将下面的链接复制到浏览器里打开)

https://github.com/sunym1993/flash-linux0.11-talk


本回的内容属于第四部分。



你会跟着我一起,看着一个操作系统从啥都没有开始,一步一步最终实现它复杂又精巧的设计,读完这个系列后希望你能发出感叹,原来操作系统源码就是这破玩意。


以下是已发布文章的列表,详细了解本系列可以先从开篇词看起。


开篇词


第一部分 进入内核前的苦力活


第1回 | 最开始的两行代码

第2回 | 自己给自己挪个地儿

第3回 | 做好最最基础的准备工作

第4回 | 把自己在硬盘里的其他部分也放到内存来

第5回 | 进入保护模式前的最后一次折腾内存

第6回 | 先解决段寄存器的历史包袱问题

第7回 | 六行代码就进入了保护模式

第8回 | 烦死了又要重新设置一遍 idt 和 gdt

第9回 | Intel 内存管理两板斧:分段与分页

第10回 | 进入 main 函数前的最后一跃!

第一部分总结与回顾


第二部分 大战前期的初始化工作


第11回 | 整个操作系统就 20 几行代码

第12回 | 管理内存前先划分出三个边界值

第13回 | 主内存初始化 mem_init

第14回 | 中断初始化 trap_init

第15回 | 块设备请求项初始化 blk_dev_init

第16回 | 控制台初始化 tty_init

第17回 | 时间初始化 time_init

第18回 | 进程调度初始化 sched_init

第19回 | 缓冲区初始化 buffer_init

第20回 | 硬盘初始化 hd_init

第二部分总结与回顾


第三部分:一个新进程的诞生


第21回 | 新进程诞生全局概述

第22回 | 从内核态切换到用户态

第23回 | 如果让你来设计进程调度

第24回 | 从一次定时器滴答来看进程调度

25回 | 通过 fork 看一次系统调用

第26回 | fork 中进程基本信息的复制

第27回 | 透过 fork 来看进程的内存规划

第三部分总结与回顾


第28回 | 番外篇 - 我居然会认为权威书籍写错了...

第29回 | 番外篇 - 让我们一起来写本书?

第30回 | 番外篇 - 写时复制就这么几行代码


第四部分:shell 程序的到来

第31回 | 拿到硬盘信息
第32回 | 加载根文件系统
第33回 | 打开终端设备文件
第34回 | 进程2的创建
第35回 | execve 加载并执行 shell 程序
第36回 | 缺页中断
第37回 | shell 程序跑起来了
第38回 | 操作系统启动完毕
第四部分总结与回顾

第39回 | 番外篇 - Linux 0.11 内核调试
第40回 | 番外篇 - 为什么你怎么看也看不懂

第五部分:一条 shell 命令的执行

持续更新中...



------- 正文开始 -------




整个操作系统终于通过四个部分的讲解,完成了它的启动,达到了一个怠速状态,留下了一个 shell 程序等待用户指令的输入并执行。

 

 

具体来说。

 

通过 第一部分 | 进入内核前的苦力活 完成了执行 main 方法前的准备工作,如加载内核代码,开启保护模式,开启分页机制等工作,对应内核源码中 boot 文件夹里的三个汇编文件 bootsect.s setup.s head.s

 

通过 第二部分 | 大战前期的初始化工作 完成了内核中各种管理结构的初始化,如内存管理结构初始化 mem_init,进程调度管理结构初始化 shed_init 等,对应 main 方法中的 xxx_init 系列方法。

 

通过 第三部分 | 一个新进程的诞生 讲述了 fork 函数的原理,也就是进程 0 创建进程 1 的过程,对应 main 方法中的 fork 函数。

 

通过 第四部分 | shell 程序的到来 讲述了从加载根文件系统到最终创建出与用户交互的 shell 进程的过程,对应 main 方法中的 init 函数。

 

至此操作系统启动完毕,达到怠速状态

 

纵观整个操作系统的源码,前四部分对应的代码如下,这就是启动流程中的全部代码了。

--- 第一部分 进入内核前的苦力活 ---
bootsect.s
setup.s
head.s

main.c
void main(void) 
{
--- 第二部分 大战前期的初始化工作 ---
    mem_init(main_memory_start,memory_end);
    trap_init();
    blk_dev_init();
    chr_dev_init();
    tty_init();
    time_init();
    sched_init();
    buffer_init(buffer_memory_end);
    hd_init();
    floppy_init();
    sti();
--- 第三部分 一个新进程的诞生 ---
    move_to_user_mode();
    if (!fork()) {
--- 第四部分 shell程序的到来 ---
        init();
    }
    for(;;) pause();
}


------


具体展开第四部分,我们首先通过 第31回 | 拿到硬盘信息第32回 | 加载根文件系统 使得内核具有了以文件系统的形式管理硬盘中的数据的能力。


 

 

接下来 第33回 | 打开终端设备文件 使用刚刚建立好的文件系统能力,打开了 /dev/tty0 这个终端设备文件,此时内核便具有了与外设交互的能力,具体可以体现为调用 printf 函数可以往屏幕上打印字符串了。

 

 

再接下来,第34回 | 进程2的创建 利用刚刚建立好的文件系统,以及进程 1 的与外设交互的能力,创建出了进程 2,此时进程 2 与进程 1 一样也具有与外设交互的能力,这为后面 shell 程序的创建打好了基础。

 

 

然后,进程 2 此时摇身一变,在 第35回 | execve 加载并执行 shell 程序 利用 execve 函数使自己变成了 shell 程序,配合上一回 fork 的进程 2 的过程,这就是 Linux 里经典的 fork + execve 函数。

 

execve 函数摇身一变的关键,其实就是改变了栈空间中的 EIP ESP 的值,使得中断返回后的地址被程序进行了魔改,改到了 shell 程序加载到的内存地址上。

 

 

此时,execve 系统调用的中断返回后,指向了 shell 程序所在的内存地址起始处,就要开始执行 shell 程序了。但此时 shell 程序还没有从硬盘中加载到内存呢,所以此时会触发缺页中断,将硬盘中的 shell 程序(除 exec 头部的其他部分)按需加载到内存,这就是 第36回 | 缺页中断 里讲述的过程。

 

 

这回,终于可以开始执行 shell 程序了,在 第37回 | shell 程序跑起来了 中我们以 xv6 源码中的超级简单的 shell 程序源码为例,讲解了 shell 程序的原理。

 

就是不断读取我们用户输入的命令,创建一个新的进程并执行刚刚读取到的命令,最后等待进程退出,再次进入读取下一条命令的循环中。

// xv6-public sh.c
int main(void) {
    static char buf[100];
    // 读取命令
    while(getcmd(buf, sizeof(buf)) >= 0){
        // 创建新进程
        if(fork() == 0)
            // 执行命令
            runcmd(parsecmd(buf));
        // 等待进程退出
        wait();
    }
}


shell 程序是个死循环,我们再回过头来看操作系统的死循环。

 

第38回 | 操作系统启动完毕 中给出了整个操作系统启动代码的鸟瞰视角。

// main.c
void main() {
    // 初始化环境
    ...
    // 外层操作系统大循环
    while(1) {
        // 内层 shell 程序小循环
        while(1) {
            // 读取命令 read
            ...
            // 创建进程 fork
            ...
            // 执行命令 execve
            ...
        }
    }
}


可以看出,不仅 shell 程序是个死循环,整个操作系统也是个死循环。

 

除此之外,这里所有的键盘输入、系统调用、进程调度,统统都需要中断来驱动,所以很久之前我说过,操作系统就是个中断驱动的死循环,就是这个道理。

 

OK!到此为止,操作系统终于启动完毕,达到了怠速的状态,它本身设置好了一堆中断处理程序,随时等待着中断的到来进行处理,同时它运行了一个 shell 程序用来接受我们普通用户的命令,以同人类友好的方式进行交互。


------

 

我们前四个部分,终于把整个操作系统的启动流程讲述清楚了,如果你头脑中已经有像过电影般把整个启动流程清晰地印在脑子里,相信你已经不再恐惧操作系统源码了。

 

但理解操作系统不单单是启动流程这个视角,还需要内存管理、文件系统、进程调度、设备管理、系统调用等操作系统提供的功能的视角看。

 

启动流程是一次性的,就这么来一下子,而这些功能是持续不断的,用户程序不断通过系统调用和操作系统提供的这些功能,完成自己想要让计算机帮忙做的事情。

 

所以接下来的第五部分,我打算用一条 shell 命令的执行过程,来把操作系统这些模块和所提供的功能讲述清楚。


因为一条 shell 命令的执行,包括了内存管理、文件系统、进程调度、设备管理、中断控制、特权级切换等等各方面的内容,实在是把它们都串起来的好办法。

 

那接下来就跟我一起,期待第五部分的到来吧!

 

欲知后事如何,且听下回分解。




------- 关于本系列 -------




本系列的开篇词看这里,开篇词


本系列的番外故事看这里,让我们一起来写本书?也可以直接无脑加入星球,共同参与这场旅行。



最后,本系列完全免费,希望大家能多多传播给同样喜欢的人,同时给我的 GitHub 项目点个 star,就在阅读原文处,这些就足够让我坚持写下去了!我们下回见。

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