中国科学技术大学计算机系陈香兰（0512－87161312） xlanchen@ustc.edu.cn Linux操作系统分析中国科学技术大学计算机系陈香兰（0512－87161312） xlanchen@ustc.edu.cn.

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Linux操作系统分析中国科学技术大学计算机系陈香兰（0512－）

xlanchen：Linux OS Analysis
第一章、绪论主要内容 Linux简介一些预备知识操作系统基本概念堆栈内核态 vs 用户态虚拟内存分析和实验验证环境 VMware 、QEMU、VirtualBox SourceInsight 相关工具介绍：GNU Tools等 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

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Linux是一个类Unix（Unix-like）的操作系统，在1991年发行了它的第一个版本在Linux内核维护网站上，“What is Linux?” 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

From “ Linux的来历和目标： Linux is a clone of the operating system Unix, written from scratch by Linus Torvalds with assistance from a loosely-knit team of hackers across the Net. It aims towards POSIX and Single UNIX Specification compliance. Linux的功能 It has all the features you would expect in a modern fully-fledged Unix, including true multitasking, virtual memory, shared libraries, demand loading, shared copy-on-write executables, proper memory management, and multistack networking including IPv4 and IPv6. Portable Operating System Interface Standard 可移植操作系统接口标准由IEEE制订，并由ISO接受为国际标准。 Institute for Electrical and Electronic Engineers 电气电子工程师学会[美] International Organization for Standardization 国际标准化组织制定各行各业各种产品和服务的技术规范（国际标准） 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

Although originally developed first for 32-bit x86-based PCs (386 or higher), today Linux also runs on (at least) the Alpha AXP, Sun SPARC, Motorola 68000, PowerPC, ARM, Hitachi SuperH, IBM S/390, MIPS, HP PA-RISC, Intel IA-64, AMD x86-64, AXIS CRIS, Renesas M32R, Atmel AVR32, Renesas H8/300, NEC V850, Tensilica Xtensa, and Analog Devices Blackfin architectures; for many of these architectures in both 32- and 64-bit variants. 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

在内存管理方面不得不说的 Linux is easily portable to most general-purpose 32- or 64-bit architectures as long as they have a paged memory management unit (PMMU) and a port of the GNU C compiler (gcc) (part of The GNU Compiler Collection, GCC). Linux has also been ported to a number of architectures without a PMMU, although functionality is then obviously somewhat limited. See the µClinux project for more info. 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

Linux内核、Linux系统或Linux开发套件等术语。严格来说，Linux指的是Linux Torvalds维护的（及通过主要和镜像网站发布的）内核。 GNU/Linux GNU/Linux的拥护者们认为，Linux仅仅是指Linux内核，而整个Linux系统的大部分都建立在GNU软件之上。 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

GNU，“g-noo”，“GNU's Not Unix” 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

The Linux Kernel Archives Mirror System 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

1991年11月，芬兰赫尔辛基大学的学生 Linus Torvalds写了个小程序，后来取名为Linux，放在互联网上。他表达了一个愿望，希望借此搞出一个操作系统的“内核”来，这完全是一个偶然事件 1993，在一批高水平黑客的参与下，诞生了Linux 1.0 版 1994年，Linux 的第一个商业发行版 Slackware 问世 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

1996年，美国国家标准技术局的计算机系统实验室确认 Linux 版本（由 Open Linux 公司打包）符合 POSIX 标准 2001年，Linux2.4版内核发布 2003年，Linux2.6版内核发布 …… 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

Linux是免费的、源代码开放的、符合POSIX标准规范的操作系统拥有现代操作系统具有的所有内容，例如抢占式多任务处理，支持多用户内存保护，支持SMP，支持TCP/IP，支持绝大多数的32位和64位CPU 等还有一些其他操作系统没有的特色，比如 NFS，VFS，高效的EXT系列文件系统等 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

Linux内核版本是由Linus Torvalds作为总体协调人的Linux开发小组（分布在各个国家的近百位高手）开发出的系统内核的版本号 Linux内核采用的是双树系统一棵是稳定树，主要用于发行另一棵是非稳定树或称为开发树，用于产品开发和改进 Linux内核版本号由3位数字组成 r.x.y 第3位数字y为修改号，表示错误修补的次数第1位数字r为主版本号第2位数字x为说明版本类型的次版本号，如果 x为偶数，则表示为产品化版本，为奇数时表示为实验版本 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

支持多种CPU X86, ARM, MIPS, SH, i960, PPC, etc. 开放源代码（Open source）强大的网络功能可移植性使用GNU tools 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

一个新潮，非常稳定，多用户，多任务的环境标准的平台无法超越的计算能力，可移动性和适应性先进的图形用户界面几十个异常出色而且免费的桌面应用程序成千上万个免费的工具和应用小程序几百上千个专业程序由全世界的无数研究人员编制，覆盖了天文，信息技术，化学，物理，工程，语言，生物等各个学科领域 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

一个真正杰出的学习系统很多顶级的系统开发平台，友好的编程语言及编程工具都免费包含在操作系统里面病毒入侵，计算机的“后门”，软件提供商的“特别要求”，强迫性的软件升级，专有的文件格式，软件使用许可证和市场策略，产品注册登记，高得惊人的软件价格，等等 Linux都没有 Linux操作系统平台保证它的“永久性” 一个技术快速更新的平台 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

第一章、绪论主要内容 Linux简介一些预备知识操作系统基本概念堆栈内核态 vs 用户态虚拟内存分析和实验验证环境 VMware 、QEMU、VirtualBox SourceInsight 相关工具介绍：GNU Tools等 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

操作系统的基本概念任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统。内核（进程管理，进程调度，进程间通讯机制，内存管理，中断异常处理，文件系统，I/O系统，网络部分）其他程序（例如函数库，shell程序等等）操作系统的目的与硬件交互，管理所有的硬件资源为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

用户应用程序 Shell，lib System call Kernel implementation 对硬件资源的管理 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

最简单也是最复杂的操作在控制台下输入ls命令为什么我们敲击键盘就会在终端上显示？中断的概念，终端控制台设备驱动的概念 Shell程序分析输入参数，确定这是ls命令终端解释程序什么是shell？保护模式和实模式，内存保护，内核态用户态相关问题什么是系统调用？调用系统调用fork生成一个shell本身的拷贝软中断、异常的概念。陷阱门，系统门系统调用是怎么实现的？进程的描述，进程的创建。COW技术 fork是什么？为什么要调用fork？调用exec系统调用将ls的可执行文件装入内存内存管理模块，进程的地址空间，分页机制，文件系统堆栈的维护，寄存器的保存与恢复从系统调用返回如何做到正确的返回？进程的调度，运行队列等待队列的维护 Shell和ls都得以执行 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

一些基本但很重要的概念堆栈内核态 vs 用户态虚拟内存 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

堆栈堆栈是C语言程序运行时必须的一个记录调用路径和参数的空间函数调用框架传递参数保存返回地址提供局部变量空间等等 C语言编译器对堆栈的使用有一套的规则了解堆栈存在的目的和编译器对堆栈使用的规则是理解操作系统一些关键性代码的基础以x86体系结构为例 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

堆栈寄存器和堆栈操作堆栈相关的寄存器 esp，堆栈指针（stack pointer） ebp，基址指针（base pointer）堆栈操作 push 栈顶地址减少4个字节（32位） pop 栈顶地址增加4个字节 ebp在C语言中用作记录当前函数调用基址低地址 esp esp ebp 高地址 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

利用堆栈实现函数调用和返回其他关键寄存器 cs : eip：总是指向下一条的指令地址顺序执行：总是指向地址连续的下一条指令跳转/分支：执行这样的指令的时候，cs : eip的值会根据程序需要被修改 call：将当前cs : eip的值压入栈顶，cs : eip指向被调用函数的入口地址 ret：从栈顶弹出原来保存在这里的cs : eip的值，放入cs : eip中发生中断时？？？？？？？ 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

补充知识 AT&T汇编语言和Intel汇编语言 AT&T汇编语言中指令的操作数顺序与Intel相反 AT&T opcode[b+w+l] src, dest 寄存器：%reg 访存大小：[b+w+l] - 8, 16, 32 bits 引用内存地址：section:disp(base, index, scale) 实际偏移：base + index*scale + disp 缺省为0 取值可以是1，2，4，8 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

//建立被调用者函数的堆栈框架 pushl %ebp movl %esp, %ebp //拆除被调用者函数的堆栈框架 movl %ebp,%esp popl %ebp ret // 调用者 … call target //被调用者函数体 //do sth. … call指令： 1）将下一条指令的地址A保存在栈顶 2）设置eip指向被调用程序代码开始处将地址A恢复到eip中 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

函数堆栈框架的形成 call xxx 执行call之前执行call时，cs : eip原来的值指向call下一条指令，该值被保存到栈顶，然后cs : eip的值指向xxx的入口地址进入xxx 第一条指令： pushl %ebp 第二条指令： movl %esp, %ebp 函数体中的常规操作，可能会压栈、出栈退出xxx movl %ebp,%esp popl %ebp ret esp ebp 低地址 esp ebp esp cs : eip esp ebp 高地址 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

参数的传递局部变量的使用 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

一段小程序源文件：test.c 这是一个很简单的C程序 main函数中调用了函数p1和p2 首先使用gcc –g 生成test.c的可执行文件test 然后使用objdump –S获得test的反汇编文件 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

观察p2的堆栈框架从test的反汇编文件中找到p2的反汇编代码 int p2(int x,int y) { push %ebp mov %esp,%ebp return x+y; mov 0xc(%ebp),%eax add 0x8(%ebp),%eax } pop %ebp ret 建立框架低地址 ebp esp ebp esp 调用者堆栈框架 x 拆除框架 y ebp 高地址 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

观察main函数是如何传递参数给p2的 esp … z=p2(x,y); pushl 0xfffffff8(%ebp) pushl 0xfffffff4(%ebp) call b <p2> add $0x8,%esp mov %eax,0xfffffffc(%ebp) printf("%d=%d+%d\n",z,x,y); pushl 0xfffffffc(%ebp) push $0x call b0 被调用者堆栈框架 ebp ebp 低地址 cs:eip esp x的值 esp y的值 esp 调用者堆栈框架 ebp 高地址 p2的返回值是如何返回给main的？ 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

观察main中的局部变量 int main(void) { push %ebp mov %esp,%ebp sub $0x18,%esp … char c='a'; movb $0x61,0xfffffff3(%ebp) int x,y,z; x=1; movl $0x1,0xfffffff4(%ebp) y=2; movl $0x2,0xfffffff8(%ebp) 低地址 esp c=‘a’ x=1 y=2 ebp esp ebp esp 调用者 ebp 高地址 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

观察程序运行时堆栈的变化 eip p1 p1 eip p2 p2 esp p1的堆栈 p2堆栈 eip main … p1(c) p2(x,y) eip eip eip eip eip main c x，y esp eip main堆栈 eip eip eip eip 堆栈程序的代码段 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

另一段小程序和前一段小程序稍有不同在这个小程序中，main函数中调用了函数p2，而在p2的执行过程中又调用了函数p1 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

观察程序运行时堆栈的变化 eip p1 p1 esp p1堆栈 eip p2 … p1(c) eip eip eip p2 eip c esp eip p2堆栈 eip eip main … p2(x,y) eip x，y esp eip eip main main堆栈 eip 堆栈程序的代码段 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

观察堆栈在内核中的使用在内核代码中经常有这样的函数，它的参数是struct pt_regs *regs 可以往回一层层的寻找这个参数是怎么传递过来的，最后我们可以发现最源头的函数使用了这样的参数struct pt_regs regs 比如void do_IRQ(struct pt_regs regs) 如果再进一步寻找是谁调用了这个do_IRQ，我们会发现只是一条简单的汇编语句 call do_IRQ 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

为什么要有pt_regs结构用户态 vs 内核态寄存器上下文从用户态切换到内核态时必须保存用户态的寄存器上下文要保存哪些？保存在哪里？中断/int指令会在堆栈上保存一些寄存器的值如：用户态栈顶地址、当时的状态字、当时的cs:eip的值 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

pt_regs结构 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

SAVE_ALL和RESTORE_ALL

do_IRQ的调用方式仔细阅读一下与之相连的汇编码 pushl $n-256 SAVE_ALL call do_IRQ jmp ret_from_intr 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

do_IRQ的函数定义方式因此，do_IRQ将栈顶的内容看成pt_regs 结构的参数，在必要时可以通过访问这里的内容获得信息 regparm(x) x!=0：告诉gcc不通过堆栈而通过寄存器传。 x是参数个数，寄存器依此使用EAX,EDX,ECX… 而asmlinkage则使得编译器不通过寄存器(x=0)而使用堆栈传递参数 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

用户态和内核态的概念 Why？假定不区分用户直接修改操作系统的数据用户直接调用操作系统的内部函数用户直接操作外设用户任意读/写物理内存 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

因此，要区分用户态和内核态：禁止用户程序和底层硬件直接打交道 (最简单的例子，如果用户程序往硬件控制寄存器写入不恰当的值，可能导致硬件无法正常工作) 禁止用户程序访问任意的物理内存 (否则可能会破坏其他程序的正常执行，如果对核心内核所在的地址空间写入数据的话，会导致系统崩溃) 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

什么是用户态和内核态？一般现代CPU都有几种不同的指令执行级别在高执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任意的物理地址，这种CPU执行级别就对应着内核态而在相应的低级别执行状态下，代码的掌控范围会受到限制。只能在对应级别允许的范围内活动举例： intel x86 CPU有四种不同的执行级别0-3，Linux只使用了其中的0级和3级分别来表示内核态和用户态 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

如何区分一段代码是核心态还是用户态 cs寄存器的最低两位表明了当前代码的特权级 CPU每条指令的读取都是通过cs:eip这两个寄存器：其中cs是代码段选择寄存器，eip是偏移量寄存器。上述判断由硬件完成一般来说在Linux中，地址空间是一个显著的标志：0xc 以上的地址空间只能在内核态下访问，0x －0xbfffffff的地址空间在两种状态下都可以访问注意:这里所说的地址空间是逻辑地址而不是物理地址 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

虚拟内存物理内存有限，是一种稀缺资源局部性原理空间局部性时间局部性按需调页页框利用磁盘上的交换空间 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

进程的虚拟地址空间独立的地址空间（32位，4GB），每个进程一个在Linux中，3G以上是内核空间，3G以下是用户空间 4G的进程地址空间使用进程私有的二级页表进行地址转换（虚拟地址物理地址）页面大小：4KB 页目录、页表若对应的内容在内存中，则对应的二级页表项记录相应的物理页框信息否则根据需要进行装载或者出错处理 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

进程调度后，执行一个新的被调度的进程之前，要先进行页表切换 Linux中的内核空间每个进程3G以上的空间用作内核空间从用户地址空间进入内核地址空间不经过页表切换而是通过中断/异常/系统调用入口（也只能如此） 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

站在CPU执行指令的角度 idle wait keyborad queue 进程x 系统调用处理 eip esp cs ds等等进程管理 CPU Wakeup progress 中断处理内核其他模块 esp esp 0xc idtr eip intr some action 8259 c=gets() … esp main keyboard 进程x 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

从内存的角度来看 0xffffffff 0xe 在Linux中，物理内存总是被映射在3G以上的空间中，若物理内存过大，需使用其他的映射技术 0x （512M） 0xc （3G）用户代码或数据 0x 内核代码内核静态数据 0x 0x 物理内存虚拟空间 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

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VMware 模拟x86硬件平台可以在Windows、Linux等平台上运行 VMWare模拟出来的硬件包括：主板、内存、硬盘(IDE和SCSI)、DVD/CD-ROM、软驱、网卡、声卡、串口、并口和USB口。上述硬件是固定型号的，与Host OS的实际硬件无关可以直接从ISO文件上安装在一个VMware上安装的的操作系统形成的虚拟机，可以拷贝到其他装有VMware的机器上 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

QEMU QEMU is a generic and open source machine emulator and virtualizer. When used as a machine emulator, QEMU can run OSes and programs made for one machine (e.g. an ARM board) on a different machine (e.g. your own PC). By using dynamic translation, it achieves very good performance. When used as a virtualizer, QEMU achieves near native performances by executing the guest code directly on the host CPU. QEMU supports virtualization when executing under the Xen hypervisor or using the KVM kernel module in Linux. When using KVM, QEMU can virtualize x86, server and embedded PowerPC, and S390 guests. 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

VirtualBox VirtualBox is a powerful x86 and AMD64/Intel64 virtualization product for enterprise as well as home use. Not only is VirtualBox an extremely feature rich, high performance product for enterprise customers, it is also the only professional solution that is freely available as Open Source Software under the terms of the GNU General Public License (GPL). Presently, VirtualBox runs on Windows, Linux, Macintosh and OpenSolaris hosts and supports a large number of guest operating systems including but not limited to Windows (NT 4.0, 2000, XP, Server 2003, Vista, Windows 7), DOS/Windows 3.x, Linux (2.4 and 2.6), Solaris and OpenSolaris, and OpenBSD. 安装：sudo apt-get install virtualbox 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

SourceInsight 源代码阅读和编辑工具拥有内置的对C/C++, C#和Java等程序的分析。能分析源代码并动态维护符号数据库，能自动显示有用的上下文信息。到 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

当前源码文件当前文件的符号表 Project相关信息符号类型分类文件类型配置信息按目录，文件列表所有文件列表符号表当前所看的符号上下文当前所看符号的调用关系 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

作业1： C语言中堆栈的作用是什么？请使用一个实例说明C语言中堆栈的某一个作用。为什么要有内核态与用户态的区别？请结合32位x86说明在Linux中，用户态与内核态有哪些区别？在什么情况下，系统会进入内核态执行？ 2019/1/14 xlanchen：Linux OS Analysis

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