随想录（文件系统的第一个用户程序shell）

熟悉linux的同学都知道，linux的启动顺序就是uboot -> linux -> shell。但是很少人研究linux是怎么调用shell程序的。今天，可以借助早期linux 0.11的内核版本分析一下。linux 0.11的地址可以参考这个链接，https://github.com/tinyclub/linux-0.11-lab。

1、内核态跳转到用户态，main.c

内核态跳转到用户态，os是通过代码move_to_user_mode()来完成的。执行完这段代码的意义就是，从下一行代码开始，当前代码就是用户态的程序了。只不过，这是一个特殊的用户态程序。普通的用户程序会有两个地址空间，一个指向内核，一个指向自己。而这个特殊的用户程序就只有一个空间，即内核空间。当然，有的同学会说，普通的用户程序不能执行内核代码，必须通过系统调用才可以，为什么这个用户程序可以？其实这个只要设置一下tlb属性就可以了。

void main(void)
{/*
* other init code :-)
*/move_to_user_mode();if (!fork()) {        /* we count on this going ok */init();}
/**   NOTE!!   For any other task 'pause()' would mean we have to get a* signal to awaken, but task0 is the sole exception (see 'schedule()')* as task 0 gets activated at every idle moment (when no other tasks* can run). For task0 'pause()' just means we go check if some other* task can run, and if not we return here.*/for(;;) pause();
}

另外，关于move_to_user_mode，这个也是有意思的，大家可以看看怎么实现的，特别是这么一句"pushl $1f\n\t"

#define move_to_user_mode() \
__asm__ ("movl %%esp,%%eax\n\t" \"pushl $0x17\n\t" \   "pushl %%eax\n\t" \"pushfl\n\t" \"pushl $0x0f\n\t" \ "pushl $1f\n\t" \  "iret\n" \ "1:\tmovl $0x17,%%eax\n\t" \ "movw %%ax,%%ds\n\t" \"movw %%ax,%%es\n\t" \"movw %%ax,%%fs\n\t" \"movw %%ax,%%gs" \:::"ax")

ps：

如果是用户态进入系统态一般用int或者是sysenter。返回的话就用iret。

2、加载文件系统

os通过setup((void *) &drive_info)实现文件系统的加载。当然加载文件系统可以放在模式切换前，也可以放在切换后，这一块问题不大。加载文件系统的意义在于，有了fs之后，os可以简单地通过路径就可以实现数据的访问和读写了。

在linux的后期演进过程中，文件系统逐步变成了根文件系统。其实一个硬盘、ram、fd里面可以有多个文件系统。至于哪一个是根文件系统，都是os自己指定的，不同的文件系统之间也可以切换为根文件系统，这一点上没有多大难度。

3、打开串口

串口的打开，是通过open("/dev/tty0",O_RDWR,0)函数实现的，这一块比较简单，就是一个系统调用。

4、创建子进程

子进程的创建是通过pid=fork()实现。如果是子进程，返回为0；如果是父进程，返回为子进程的id号。fork只是clone一下父进程的内容，本身没有加载任何代码的东西。

5、准备加载用户代码

execve("/bin/sh",argv_rc,envp_rc)来完成用户空间的加载。这也是一个系统调用。简单来说，execve只负责系统空间的加载，但是不负责实际代码和数据的载入。这么做的好处就是在内存空间不富裕的时候，只载入必要的代码段和数据段。

6、page异常

在execve返回到用户侧的时候，就会产生异常。因为虽然execve分配了代码空间，但是没有实际载入数据，所以会产生一个缺页异常。这部分的内容是通过do_no_page来完成的，如果os发现当前的空间确实有数据，那么就会尽可能地从fs加载数据进来，当然如果本身空间就是非法的，这个时候就会rais真正的异常。

7、等待子进程结束

第一次执行sh的时候，fs只完成一部分工作，执行完就退出。这个时候父进程就会在(pid != wait(&i)进行等待。一般来说，这个sh会完成一些脚本的初始化工作，类似于linux rc文件。执行结束后，sh就退出来了。虽然后面也会执行sh，但是两者的输入参数是不一样的，差别也就在这个地方。

8、重复启动子进程、等待子进程

while (1) {if ((pid=fork())<0) {printf("Fork failed in init\r\n");continue;}if (!pid) {close(0);close(1);close(2);setsid();(void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);(void) dup(0);(void) dup(0);_exit(execve("/bin/sh",argv,envp));}while (1)if (pid == wait(&i))break;printf("\n\rchild %d died with code %04x\n\r",pid,i);sync();}

9、不可达的代码

在0.11中_exit(0)代码是不可达的。看待上面的循环逻辑，大家就可以明白，父进程会一直监视sh有没有退出。如果sh退出之后，那么会重启一个新的shell。所以，_exit(0)是永远也不会执行到的。

ps：

linux 0.11从哪方面讲，对自己的操作系统水平和认知提升都是大有裨益的。文件系统里面的程序，可以自己写一个简单的syscall + helloworld程序就可以了，把流程捋一遍，就知道系统的整个执行流程了。另外，清华大学陈渝老师的ucore也不错，有对应的代码https://github.com/chyyuu/ucore_os_lab，还有视频教程https://www.bilibili.com/video/av6538245/，简单的安装virtualbox虚拟机、配置一下ubuntu + qemu + gdb，就可以调试开发，非常适合用来练习，对自己认识bootloader、kernel、fs很有帮助。

文件系统非常重要，如果是bios启动的话，很有可能内核也会放在文件系统里面，即bios先读取文件系统，执行kernel，再加载完整的文件系统。后期的windows、linux，都是这么来做的。比如，windows就是ntoskrnl.exe，而linux则是bzImage，两者逻辑是一样的。

用户侧的代码通常都放在文件系统里面，简单地来看，就是读取一个文件，copy到内存，创建一个线程，分配一些时间片，开始调度和切换。用户程序访问资源都需要syscall，如果是内核来做这样事情，可以直接call function，连syscall都节省了。普通的用户侧代码如果没有syscall、没有内核调用，其实执行起来是很容易的事情，它的内存和内核也是分开来的。当然，如果使用到了动态库、libc，用户侧的代码也可以做得很复杂。

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