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OS Structures

Operating System Services

注：

  1. system call 就是 user space 和 kernel space 之间的桥梁
  2. 红圈内的就是为用户提供服务（抽象资源），蓝圈内的就是优化服务（分配资源）

User and Operating System-Interface

（略）

System Calls

解释： 1. printf 本质上就是 write 的一个 wrapper 2. write 函数（i.e. 上面的 __libc_write），里面有一个 syscall，将控制流从用户手中交给系统 3. 注意 %eax 为 1，因为 Linux x86 的 syscall 的 1 号就是 write

解释：进入 kernel space 之后，就做下面三件事 1. 无论如何，kernel_entry 的代码先会被执行 2. 然后根据传入的 %eax，从 syscall_table 中获取 ksys_write 的地址并 call 3. 在完成之后，执行 ret_to_user，并最终返回用户态

图示

syscall 的完整流程如上

Types of System Calls

System Services

（略）

Linkers and Loaders

注：中间缺了一个预处理环节

ELF Format

使用 readelf 查看 ELF 格式文件
  1. readelf -S <file>：获取 <file> 的分区信息，各分区的（虚拟内存）地址、（文件中对应的）偏移量、权限等等
  2. readelf -s <file>：获取符号表，以及各符号的所在地址、所在分区编号、类型、名字等等
  3. readelf -p <section> <file>: Displays the contents of the indicated section as printable strings.
  4. readelf -x <section> <file>: Displays the contents of the indicated section as a hexadecimal bytes.

Answer to quiz: 1. 所有 const 都去 .rodata 2. 对于非 const，若已经初始化，就去 data 3. 若尚未初始化，就去 bss

如下图所示：

  [Nr] Name              Type             Address           Offset     Flags
  [15] .rodata           PROGBITS         00000000000007e0  000007e0   AX
  [22] .data             PROGBITS         0000000000011000  00001000   WA
  [23] .bss              NOBITS           0000000000011014  00001014   WA

Note: A(alloc), X(execute), W(write)

Details of Loader

a.dynamic 就是动态编译（也是默认编译选项）的产物。其中 .interp 段指定了解释器。

Running a binary

对于动态加载库的 elf 文件，在操作系统上运行，初始化如下：

  • Who setups ELF file mapping
    • Kernel: exec syscall
  • Who setups stack and heap
    • Kernel: exec syscall
  • Who setups libraries
    • Loader: ld-xxx
动态/静态链接的 syscall 对比

执行 a.dynamic 的时候，可以看到用到了 ld.so

至于 a.static（左图），相比 a.dynamic（右图），就会少很多各种加载

动态/静态链接的内存布局对比

a.static 如下，很干净：

a.dynamic 如下，在 heap 和 vvar 之间，有 libc 的动态链接库（不同虚拟内存，映射到同一个文件，但是权限不同）；在 vdso 和 stack 之间，就是 loader 的动态链接库（同上）

动态/静态链接执行流程对比

如图：上面是静态，下面是动态。区别就一点：动态的时候，load_elf_binary 直接跳转至 loader 的起始地址（而不是二进制程序的起始地址）。

然后 loader 进行一通操作（i.e. mmap），将动态链接库文件（e.g. libc）映射到内存中，最后再跳至 _start。

Why Applications are Operating System Specific Operating-System Design and Implementation

Operating System Structure

TL;DR

Linux Kernel 一览

Different Kernels

  • 宏内核（Monolithic Structure）：各种 driver 等等辅助组件都在 kernel 内部，并且通过 privileged mode 运行
    • PROS
      • 速度快
    • CONS
      • 内核代码多，不易移植和扩展
      • 如果 driver 在内核态运行过程中崩溃，那么就容易导致整个系统崩溃，稳定性差
      • 安全性相对差
  • 微内核（Microkernel）：不那么重要而 drivers，就不在 kernel 内部，并且在用户态下运行
    • PROS
      • 内核代码少，易于移植和扩展
      • 尽量不在内核态中执行，稳定性好
      • 安全性好
    • CONS
      • 由于很多模块位于用户态中，但是又必须通过 syscall 来执行关键步骤、传递信息，因此调用链长，速度慢（如下图）
  • hybrid kernel：前两者混合，取长补短

微内核调用链

Building and Booting an Operating System

（略，见 lab0）

Operating System Debugging

工具一览

Rules of thumb:

  1. Remember the separation of policy and mechanism
  2. log（包含 printk 和 core dump 等等）为主，gdb 为辅
  3. 不要在代码中用 tricks，尽量多加注释、简洁明了
  4. 推荐工具
    • strace - trace system calls invoked by a process
    • gdb - source-level debugger
    • perf - collection of Linux performance tools
    • tcpdump - collects network packets