实验一报告

一、实验内容：

（1）实验名：Linux内核编译及添加系统调用报告
（2）实验要求：
1）编译内核
2）添加系统调用

二、实验思路

（1）内核编译思路：使用极客云make，提取编译后的文件放入虚拟机修改grub
（2）修改进程优先级思路：附录中的Demo1每行都有注释。先使用find_get_pid()函数根据进程号pid得到kpid指针，再使用pid_task()函数得到task_struct（其实就是pcb）。set_user_nice()修改nice值，task_nice()和task_prio()重新取得nice值和prio值（优先级）。最后将内核态的变量值转换为用户态，从而显示出来。

三、编译内核实验步骤及问题

本次实验我使用极客云进行内核编译，价格良心，编译速度非常快，12核的机器大约10~15分钟可以编译完，客服说使用的是容器。由于是云服务器，无法修改grub。

（1）下载内核，下载完使用命令解压。
遇到的问题及解决方法：下载内核版本最好选旧版，测试4.18可行，下载最新版发现无法修改grub。

（2）按书上的安装make、ncurses等包，按书上一步一步运行命令。遇到简单报错只需安装报错提示的包即可。

遇到的问题及解决方法：提示使用的gcc版本过低，下载最新的gcc-8版本，发现还是会调用老版本的gcc。将gcc-8改为gcc放在对应目录（cd /user/bin）下，再试还是不可以。询问同学后，创建软连接ln -s gcc-8 gcc后成功解决。

（3）使用make -j 表示使用最大核心数进行编译。

（4）由于无法无法进行sudo apt-get install grub
解决方法：
只能看看编译产生了什么文件，复制到虚拟机上，经过手动查找和实验发现两个文件夹：
/lib/modules 中有个4.19.0（内核库文件）
/boot全部文件（启动的核心档案和内核映像）

把它们复制到虚拟机的对应目录。在虚拟机上运行sudo apt-get install grub，经测试可以成功。

四、添加系统调用实验步骤及问题

（1）分配系统调用号
添加内容：336 64 mychangenicesyscall __x64_sys_change_nice_syscall
目录位置：vim linux-4.19/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl
遇到的错误及解决方法：由于添加位置错误，导致调用号写错，最终结果也错误。注意不要放在最后，放在合适的位置，起系统调用名也要和后面的操作对应起来。

遇到的问题及解决方法：arch/x86/entry/syscall_64.o:(.rodata+0x1120)：对‘sys_zwhsyscall’未定义的引用。这是由于系统调用按其他调用的格式来写，服务例程入口加个__x64_

（2）申请系统调用服务例程原型
添加内容：
int change_nice_syscall(pid_t pid, int flag, int nicevalue,void_userprio,void_usernice)
遇到的错误及解决方法：由于添加位置不对导致出错，之后选择把它放到最后面。

（3）写一个修改指定进程优先级函数。见附录Demo1
遇到的错误及解决方法：由于添加位置不对导致出错，之后选择把它放到最后部分。

（4）测试代码：使用附录中的Demo2进行测试。

测试方法：

1）打开火狐浏览器，使用命令ps -el或者正则匹配一下和火狐有关的进程ps -el | grep fire，查到火狐浏览器的相关进程号pid。
2）使用top -p pid，得到进程详细信息，如nice值。
3）使用程序修改nice值，之后再使用top命令验证。

五、实验总结

系统调用代码参考：
https://blog.****.net/babybabyup/article/details/79839734#comments，这是杭电同级的软工同学的博客，但是我发现他的代码好多错误，例如没有重新取得当前进程的prio值导致代码显示错误，我在我的代码中改正了他的错误。
细究实验一，其实有很多知识点，例如：
（1）SYSCALL_DEFINE5之所以叫SYSCALL_DEFINE5是因为它有五个参数，并不是随便取名字的。

（2）在/include/linux/sched/prio.h中我们可以找到如下定义：

#define MAX_USER_RT_PRIO	100
#define MAX_RT_PRIO		MAX_USER_RT_PRIO
#define MAX_PRIO		(MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH)
#define DEFAULT_PRIO		(MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH / 2)

非常清楚地写明linux的prio的范围。
其中，实时进程(sched policy)的优先级取值范围是0_{99,非实时进程的取值范围为100}139。
优先级转nice值时，通过当前task的静态优先级的值减去DEFAULT_PRIO。DEFAULT_PRIO的值是120。

（3）task_struct是个值得一看的数据结构，而且后面的实验也要用到这个数据结构。来自：linux-2.6.30/include/linux/sched.h。
优先级方面，它有四个优先级：

struct task_struct {
...
    int				prio;//优先级
	int				static_prio;//静态优先级
	int				normal_prio;//归一化优先级,对于非实时进程，normal_prio 的值就等于静态优先级值 static_prio；对于实时进程，normal_prio = MAX_RT_PRIO-1 - p->rt_priority
	unsigned int			rt_priority;//实时进程优先级，取值0-99，值为0，则非实时进程。
...
}

task_struct 中的成员变量 prio越小，进程的优先级越高。prio 值的取值范围为0~139。

（4）task_prio()源码也很好理解：

int task_prio(const struct task_struct *p)
{
	return p->prio - MAX_RT_PRIO;//ps 命令得到的priority 值也是 p->prio - 100 得到的！！！
}

得到的是相减的结果。
（5）
如果nice过大或过小,都会被系统降到最大合法值或提高到最小合法值。
nice范围从-20~19，其中-20最高，19最低，只有系统管理者可以设置负数的等级。
当我们更改nice值时，系统不会对错误的nice值做响应。

为什么是这样呢？
需要看set_user_nice()的源码。

void set_user_nice(struct task_struct *p, long nice)
{
...
	//如果当前task的nice值已经等于要设置的nice值，就直接退出
    //从这里可以看出nice值的范围在-20~19 之间
	if (task_nice(p) == nice || nice < MIN_NICE || nice > MAX_NICE)
		return; 
...
}

当nice值非法，直接return。

六、附录

（1）Demo1

SYSCALL_DEFINE5(mysetnice,pid_t,pid,int,flag,int,nicevalue,void __user*,prio,void __user*,nice){
    struct pid * kpid;/*进程描述符指针，指向一个枚举类型*/
    struct task_struct * task;/*任务描述符信息*/
    kpid = find_get_pid(pid);/* 根据进程号返回kpid，并增加引用次数count+1*/
    /*当引用计数为0时，当前进程就可以被抢占.*/
    task = pid_task(kpid, PIDTYPE_PID);/* 返回task_struct */
    int n;
    n = task_nice(task);/* 返回进程当前nice值 */
    int p;				/*这里linux内核编译时建议，先声明后赋值，不建议一起做*/
    p = task_prio(task);/*返回进程当前prio值*/
    if(flag == 1)
    {
        set_user_nice(task, nicevalue);/* 修改进程nice值 */
        n = task_nice(task);/*重新取得进程nice值*/
        p = task_prio(task);/*重新取得进程当前prio值*/
        copy_to_user(nice,&n,sizeof(n));/*将nice值拷贝到用户空间*/
        copy_to_user(prio,&p,sizeof(p));/*将prio值拷贝到用户空间*/
        return 0;  
    }
    else if(flag == 0)
    {
        copy_to_user(nice,&n,sizeof(n));/*将nice值拷贝到用户空间*/
        copy_to_user(prio,&p,sizeof(p));/*将prio值拷贝到用户空间*/
        return 0;
    }
    return EFAULT;

}

（2）Demo2

#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>
#include<sys/syscall.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main(){
    pid_t pid;
    int nicevalue;
    int flag;
    int p = 0;
    int n = 0;
    int *prio;
    int *nice;
    prio = &p;
    nice = &n;

    printf("请输入pid：\n");
    scanf("%d",&pid);
    printf("请输入nice：\n");
    scanf("%d",&nicevalue);

    printf("请输入flag：\n");
    scanf("%d",&flag);

    syscall(336,pid,flag,nicevalue,prio,nice);

    printf("现在的nice为%d\n,prio为%d\n",n,p);
    return 0;
}

杭电操作系统实验一报告