基于內(nèi)核調(diào)試與抽象精化的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文艷軍，羅 宇，李?yuàn)檴?，劉江?/p>

（國(guó)防科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

1 研究背景

操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題是如何使學(xué)生比較容易地掌握操作系統(tǒng)內(nèi)核的工作過(guò)程，從而真正弄懂內(nèi)核。目前學(xué)界的操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要有以下幾種做法。

（1）要求學(xué)生從一個(gè)基本框架出發(fā)，逐步開(kāi)發(fā)出一個(gè)基本可用的操作系統(tǒng)，例如MIT的6.828課程使用JOS操作系統(tǒng)，伯克利加州大學(xué)的CS162課程使用Pintos操作系統(tǒng)，哈佛大學(xué)的CS161課程使用OS/161操作系統(tǒng)，清華大學(xué)使用ucore操作系統(tǒng)，浙江大學(xué)使用Lcore操作系統(tǒng)[1]等。

（2）要求學(xué)生對(duì)一個(gè)已經(jīng)基本可用的操作系統(tǒng)進(jìn)行分析、改寫(xiě)或擴(kuò)充。例如MIT的6.828課程同時(shí)使用xv6操作系統(tǒng)，荷蘭阿姆斯特丹Vrije大 學(xué) 的Andrew S.Tanenbaum使 用MINIX 3， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李治軍等使用Linux 0.11操作系統(tǒng)[2]，北京英真時(shí)代科技有限公司開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)課程也使用Linux 0.11操作系統(tǒng)[3]。本教 學(xué)組也在Linux 0.11上開(kāi)發(fā)過(guò)一組內(nèi)核調(diào)試分析實(shí)驗(yàn)[4]。

（3）要求學(xué)生對(duì)一個(gè)商用級(jí)別的操作系統(tǒng)進(jìn)行分析或改寫(xiě)。例如西安郵電大學(xué)的陳莉君等使用高版本Linux[5]，以前也有一些學(xué)校使用Open Solaris和WRK[6]。典型做法是增加內(nèi)核模塊和驅(qū)動(dòng)程序等。

上述探索有力地促進(jìn)了學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核的掌握，成效顯著。與此同時(shí)，降低難度與取得整體性認(rèn)識(shí)難以兩全。從基本框架出發(fā)寫(xiě)出一個(gè)可用操作系統(tǒng)難度大，尤其在開(kāi)始階段，需要首先掌握大量CPU編程細(xì)節(jié)，導(dǎo)致啟動(dòng)門(mén)檻高，學(xué)習(xí)曲線陡峭。分析改寫(xiě)一個(gè)已經(jīng)基本可用的操作系統(tǒng)或者商用級(jí)操作系統(tǒng)又很難獲得整體性認(rèn)識(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)已經(jīng)很復(fù)雜了：xv6有近1萬(wàn)行代碼，Linux 0.11有近15000行代碼，Linux 4.4則有近2000萬(wàn)行代碼。本教學(xué)組大規(guī)模使用調(diào)試手段分析內(nèi)核特定路徑，有助于降低難度并取得較好的整體性認(rèn)識(shí)。但在以前的設(shè)計(jì)中，對(duì)一條執(zhí)行路徑只分析一次，直接分析該路徑上詳細(xì)的狀態(tài)變化，一次暴露所有細(xì)節(jié)。這導(dǎo)致依然存在需要首先掌握大量CPU編程和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、啟動(dòng)門(mén)檻高的問(wèn)題。

抽象精化思想在程序分析和驗(yàn)證領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[7]，基于內(nèi)核調(diào)試和抽象精化的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的基本思想是：對(duì)每條內(nèi)核執(zhí)行路徑分析多遍，分析時(shí)不一次暴露所有細(xì)節(jié)，而是進(jìn)行抽象，一開(kāi)始只觀察少量細(xì)節(jié)，即作一個(gè)高層抽象，在后面再次分析時(shí)逐漸加入更多細(xì)節(jié)，對(duì)抽象進(jìn)行精化、降低抽象程度，逐步貼近完整的復(fù)雜底層狀態(tài)，見(jiàn)圖1。

2 內(nèi)核執(zhí)行路徑及其調(diào)試

內(nèi)核實(shí)驗(yàn)主要圍繞兩條內(nèi)核執(zhí)行路徑展開(kāi)，其目的是使內(nèi)核執(zhí)行一些特定的功能模塊，滿足實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要。路徑1見(jiàn)圖2，修改了內(nèi)核main函數(shù)（部分），針對(duì)的是中斷與異常、進(jìn)程管理和內(nèi)存管理等內(nèi)核功能。按此路徑運(yùn)行時(shí)，內(nèi)核會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)進(jìn)程：0號(hào)進(jìn)程和1號(hào)進(jìn)程，分別循環(huán)輸出字符‘0’和字符‘1’。運(yùn)行時(shí)，會(huì)先執(zhí)行0號(hào)進(jìn)程（圖2的軌跡‘1’），然后切換到1號(hào)進(jìn)程（軌跡‘2’），再切換回0號(hào)進(jìn)程（軌跡‘3’），最后在時(shí)鐘中斷處理時(shí)切換到1號(hào)進(jìn)程（軌跡‘4’）。這條路徑涉及段頁(yè)式內(nèi)存管理、用戶態(tài)與核心態(tài)的相互轉(zhuǎn)換、fork系統(tǒng)調(diào)用、時(shí)鐘中斷處理、進(jìn)程調(diào)度和進(jìn)程切換等知識(shí)點(diǎn)。

圖2 內(nèi)核執(zhí)行路徑1

路徑2見(jiàn)圖3，只修改了內(nèi)核init函數(shù)，針對(duì)的是設(shè)備管理和文件系統(tǒng)等內(nèi)核功能。按此路徑運(yùn)行時(shí)，內(nèi)核也會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)進(jìn)程：0號(hào)進(jìn)程和1號(hào)進(jìn)程，0號(hào)進(jìn)程空轉(zhuǎn)，1號(hào)進(jìn)程會(huì)執(zhí)行init函數(shù)，先加載根文件系統(tǒng)（代碼塊‘1’），然后打開(kāi)控制臺(tái)終端（代碼塊‘2’），接著輸出提示信息并等待用戶輸入（代碼塊‘3’），再將文件/usr/root/hello.c的內(nèi)容讀出、顯示，并寫(xiě)到文件/usr/root/hello-new.c中（代碼塊‘4’），最后執(zhí)行同步操作，將修改過(guò)的內(nèi)存緩沖區(qū)內(nèi)容寫(xiě)入外存（代碼塊‘5’）。這條路徑涉及字符設(shè)備、塊設(shè)備和普通文件的打開(kāi)、關(guān)閉和讀寫(xiě)等知識(shí)點(diǎn)，也在一定程度上涉及路徑1的知識(shí)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生將沿著這兩條路徑對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行調(diào)試，觀察CPU寄存器和內(nèi)存的狀態(tài)變化，并進(jìn)而對(duì)內(nèi)核進(jìn)行部分改寫(xiě)。我們建立了方便的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用Bochs虛擬機(jī)軟件的調(diào)試功能，可以在Ubuntu中對(duì)內(nèi)核進(jìn)行源碼級(jí)（使用gdb）和匯編級(jí)調(diào)試（使用bochdbg）。

圖3 內(nèi)核執(zhí)行路徑2

3 基于抽象精化的內(nèi)核實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于操作系統(tǒng)原理課程設(shè)計(jì)了5個(gè)內(nèi)核實(shí)驗(yàn)，分別與教材[8]的第2、3、5、6、7章配套。在原理授課時(shí)，同步講授實(shí)驗(yàn)原理，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行調(diào)試分析，要求學(xué)生在課外對(duì)內(nèi)核進(jìn)行深入的調(diào)試分析和改寫(xiě)，同步完成實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)的基本情況見(jiàn)表1。

這些實(shí)驗(yàn)覆蓋了操作系統(tǒng)內(nèi)核的各主要模塊，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括調(diào)試分析和改寫(xiě)兩部分，具體見(jiàn)表2。

三個(gè)實(shí)驗(yàn)的分析對(duì)象是內(nèi)核執(zhí)行路徑1，后兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的分析對(duì)象是內(nèi)核執(zhí)行路徑2。

正如前文所述，為了降低難度、使學(xué)習(xí)曲線更平滑，采用抽象精化思想來(lái)設(shè)計(jì)這些實(shí)驗(yàn)。在完成這些實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要學(xué)生關(guān)注的狀態(tài)信息是由少逐步變多的，調(diào)試時(shí)不用看懂所有細(xì)節(jié)，只需弄懂要求的部分信息即可。具體而言，每個(gè)實(shí)驗(yàn)關(guān)注的狀態(tài)信息主要包括3類：CPU寄存器、操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)內(nèi)核的函數(shù)調(diào)用事件，具體見(jiàn)表3。

其中‘+’表示在前序?qū)嶒?yàn)關(guān)注狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上再增加一些信息，當(dāng)然不一定所有前序信息都需要在本實(shí)驗(yàn)中觀察，但總體而言觀察的信息是遞增的。以CPU寄存器為例，4個(gè)特殊段寄存器（IDTR、GDTR、TR、LDTR）是在前3個(gè)實(shí)驗(yàn)中逐步引入的，其中涉及的復(fù)雜段頁(yè)式地址轉(zhuǎn)換過(guò)程被逐步介紹，難度得到分解。完成前3個(gè)實(shí)驗(yàn)后，X86 CPU的特殊寄存器就基本介紹完了。

正是因?yàn)椴捎昧诉@種抽象精化的思想，復(fù)雜性被逐步引入，當(dāng)學(xué)生完成所有5個(gè)實(shí)驗(yàn)后，對(duì)Linux 0.11內(nèi)核的掌握已經(jīng)很深入了。

4 教學(xué)實(shí)施效果

表1 實(shí)驗(yàn)概況

本實(shí)驗(yàn)方案在國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2018年秋的操作系統(tǒng)原理課中進(jìn)行了實(shí)施，實(shí)驗(yàn)與原理課同步開(kāi)展。班上共27名學(xué)生，所有學(xué)生都達(dá)到了及格標(biāo)準(zhǔn)，且優(yōu)秀和良好的學(xué)生占了絕大多數(shù)。

表3 各實(shí)驗(yàn)關(guān)注的狀態(tài)信息

此外，課程結(jié)束后進(jìn)行了匿名問(wèn)卷調(diào)查，收到關(guān)于實(shí)驗(yàn)難度的反饋25份，其中反映“實(shí)驗(yàn)容易，需要增加難度”的有1人，反映“實(shí)驗(yàn)難度適中，不用增加難度”的有21人，反映“實(shí)驗(yàn)難，應(yīng)該降低一些難度”的有3人。

綜合來(lái)看，按照本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，在保證較好的實(shí)驗(yàn)深度的同時(shí)，內(nèi)核實(shí)驗(yàn)的難度得到了有效控制。

同時(shí)，該模式存在一些有待改進(jìn)的地方：部分能力強(qiáng)的學(xué)生希望提高內(nèi)核改寫(xiě)的規(guī)模和難度?？梢钥紤]為這類學(xué)生設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性的內(nèi)核實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

這種基于調(diào)試分析和抽象精化的操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一組Linux 0.11內(nèi)核調(diào)試分析與改寫(xiě)實(shí)驗(yàn)，并在操作系統(tǒng)課中進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了良好效果，內(nèi)核實(shí)驗(yàn)的難度得到分解，啟動(dòng)門(mén)檻降低。后續(xù)工作將針對(duì)不同基礎(chǔ)的學(xué)生設(shè)計(jì)一些可選實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。