開發環境和版本資訊

Virtual Machine: VirtualBox
Linux Release: Fedora 6 (32-bit)
— http://archive.fedoraproject.org/pub/archive/fedora/linux/core/6/i386/iso/FC-6-i386-DVD.iso
Kernel Version: Linux-2.6.18(32-bit)
— https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.6/linux-2.6.18.tar.gz
— tar -zxvf linux-2.6.18.tar.gz -C /usr/src

安裝fedora Core 6 2.6.18

Vmware 16 安裝不成功..
使用virtualbox安裝需開啟I/O APIC

I/O APIC VirtualBox 文檔

這是VirtualBox文檔：

啟用I / O APIC

高級可編程中斷控制器（APIC）是一種較新的x86硬件功能，近年來已取代了舊式的可編程中斷控制器（PIC）。通過I / O APIC，操作系統可以使用16個以上的中斷請求（IRQ），因此避免了IRQ共享，從而提高了可靠性。

注意注意：對於64位客戶機操作系統，尤其是Windows Vista，需要啟用I / O APIC。如果要在一台虛擬機中使用多個虛擬CPU，則也需要這樣做。

但是，對於Windows以外的某些操作系統，對I / O APIC的軟件支持一直不可靠。另外，使用I / O APIC會稍微增加虛擬化的開銷，因此會稍微降低客戶機OS的速度。

警告注意：從Windows 2000開始的所有Windows操作系統都根據I / O APIC是否可用安裝不同的內核。因此，與ACPI一樣，在安裝Windows來賓操作系統之後，不得關閉I / O APIC。但是，安裝後將其打開將無效。

Kernel編譯

# make clean
# make mrproper
# cp /boot/config... ./.config
# make bzImage
# make modules
# make modules_install
# make install

Virtual Memory概念

1	`基本上每個Process都有獨立的虛擬記憶體空間，32位元機器虛擬記憶體定址為4GB，64位元機器可達到2^64 bytes。`

process為OS分配系統資源(memory)的單位，thread為OS分配CPU time的單位

Process

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一個elf binary檔案在 disk 上叫 user program， load進memory 開始執行後就變成 process
有自己的address space =>code section, data section, bss section、stack、heap
Linux 通常把process當做是task，PCB (processing control block) 通常也稱為 struct tast_struct

thread:

Thread 被稱為輕量級process，它是系統調度最小單位，thread與process差別在於process有獨立的資源空間，而thread則共享process的address
共享process的address space => code section, data section
thread有自己的program counter, cpu register, stack
Linux 並沒有特定的data structure來標示thread or process，thread與process都使用process的PCB

1
2

Process and task_struct
Linux用task_struct來描述一個process，透過task_struct->mm->mmap可以找到vm_area_struct，linux用利用VMA(virtual memory area)來描述每個segment特性，大小

mm_sturct

struct mm_struct {
    struct vm_area_struct * mmap;        /* list of VMAs */
    struct rb_root mm_rb;
    unsigned long mmap_base;        /* base of mmap area */
    unsigned long task_size;        /* size of task vm space */
    pgd_t * pgd;
    atomic_t mm_count;            /* How many references to "struct mm_struct" (users count as 1) */
    int map_count;                /* number of VMAs */

    unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
    unsigned long start_brk, brk, start_stack;
    unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;

    struct file *exe_file;

    /* ... some code omitted ... */
};

編譯結果

大致上的想法在kernel space的mm_struct取得segment info，
再回傳到user space

data、bss、code、libary segment共享記憶體
stack、local storage、heap segment記憶體區塊不相同

程式碼

user space

1 2	`撰寫 tmp/test.c user呼叫三個線程，分別呼叫syscall 318`


void* thread_func(void *arg){
	unsigned long start_code_size, start_code_start, start_code_end;
	int ret;

	ret = syscall(318,1);

	return NULL;
}
int
main(){
	pthread_t threadl, thread2, thread3;

	pthread_create(&thread1, NULL, thread_func, NULL);
	pthread_create(&thread2, NULL, thread_func, NULL);
	pthread_create(&thread3, NULL, thread func, NULL);

	pthread_join(threadl, NULL);
	pthread_join(thread2, NULL);
	pthread_join(thread3, NULL) ;
return 0;

}

kernel space

1
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添加syscall 318 kernel/project.c
利用task_struct->mm_struct->vm_area_struct結構去找所有virtual address的start,end
利用Printk印出每個segment的start,end

//syscall(318)


#ifndef _LINUX_PROJECT
#define _LINUX PROJECT

#include <linux/linkage.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/mm.h>
#include <asm/uaccess.h>

struct segment info{

	unsigned long start;
	unsigned long end;
	char type[16];
};

asmlinkage long sys_project(struct segment_info *info){

	struct mm_struct *mm;
	struct vm area struct *vma;

	mm = &current->mm;
	int i = 0;
	for (vma = mm->mmap; vma; vma= vma->vm_next){

		if (vma->vm_flags & VM_EXEC){
			printk("Code segment: %lx - %lx\n", vma->vm_start,vma->vm_end);
			//strcpy(info[1].type, "code") ;
		}else if (vma->vm_flags & VM_WRITE){
			 if (vma->vm flags & VM_GROWSDOWN){
				printk("Stack Segment: %lx - %lx\n", vma->vm_start, vma->vm_end);

				//strcpy(info[1].type, "Stack");
			 }else{
				printk("Data/Heap Segment: &lx - %lx\n", vma->vm_start, vma->vm_end);
				//strcpy(info[1].type, "Data/Heap");
			 }
		}else{

			 printk("Other Segment: %lx - %lx\n", vma->vm_start, vma->vm_end);
			 //strcpy(info[1].type, "Other") ;
		}
		//_put_user(vma->vm_start, &info[i].start, unsigned long);
		//_put_user(vma->vm_end, &info[i].end, unsigned long);
		//i++;
	}

	//copy to user(info, info, sizeof(struct segment_info));
return 0;
}

#endif

QA

哪些segment是共享的?

data bss code libary這四個segment是共享記憶體，stack、local storage、heap這三個segment則是不相同記憶體位置。
heap的位置不一樣，為什麼?

因為 heap 區域是一個記憶體區域，用於動態分配記憶體，每個 thread 都有自己的 heap 區域可以使用，所以它們的位置會不同。

雖然heap位置不相同，但其實也是共享的，其會根據libary或OS不同會有特殊的情況，例如linux是用C語言，heap會用malloc的方式實做，它會先去memory pool找一個可以使用的記憶體區塊(free list)，會在從free list裡面分給每個線程heap，所以heap段會是不同的。
Thread local storage是用甚麼東西實作?

會使用__thread，在宣告的時候加__thread就代表這個東西是TLS。
每個thread的TLS會不同，這些thread之間可以去存取對方的TLS嗎?

TLS是不同的，但是他們之間是可以互相存取的。
建造多執行緒的寫法是?

pthread_create。
pthread 的 pthread_create 函數可以用來建立新的執行緒，並以函數指標指定子執行緒所要執行的函數，子執行緒在建立之後，就會以平行的方式執行，在子執行緒的執行期間，主執行緒還是可以正常執行自己的工作，最後主執行緒再以 pthread_join 函數等待子執行緒執行結束，處理後續收尾的動作。

參考資料:
https://ascii-iicsa.blogspot.com/2011/10/thread-local-storage.html
pthread_create函數會去使用什麼system call?如何調用?

pthread_create會使用clone()這個system call，clone()會再去call do_fork這個function，do_fork會再去call copy_process，copy_process中有個copy_mm，linux實做共享記憶體的部分就是靠copy_mm達成。
為什麼要使用copy from user?

原理:因為安全機制的考量，程式載入的資料不會馬上放到記憶體上，會一直等到真的使用的時候才放到記憶體上。kernel要去使用這個資料的時候假如不在記憶體上，這種時候kernel會直接crash。

copy_from_user首先會檢查傳入地址的合法性，檢查後合法才會去做copy，同時也有修復機制避免系統直接crash。

這個問題主要涉及到2個層面，一個是copy_from_user()有自帶的access_ok檢查，如果用戶傳進來的buffer不屬於用戶空間而是內核空間，根本不會拷貝；二是copy_from_user()有自帶的page fault後exception修復機制。

筆記

#linux #nycu #Note

Linux Kernel Project

https://luoming1995125.github.io/2023/08/22/Linux-Kernel-Project/

作者

Peter Luo

發布於

2023年8月22日

許可協議

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