实验一¶
创建实验私有仓库¶
你需要创建一个 GitHub 账号，并且创建一个私有（private）的仓库（repository），并命名为 osh-2022-labs。 请务必确保以上操作被准确无误地完成——由于一部分实验测评会使用自动化工具，如不能与上述一致，可能会影响你的实验分数。
在这个私有仓库中，你需要将助教的账号 osh-2022-ta 添加为你的 collaborator。 添加后 GitHub 会向助教发送邀请，之后再向三位助教之一发送你的姓名、学号、GitHub 账号名来让助教确认邀请。
在这个仓库下，每一次实验（实验一、实验二等等）会使用根目录下的一个名为 lab<x> 的文件夹来存放实现提交文件，例如：
- 实验一的提交文件放在
lab1文件夹下； - 实验二的提交文件放在
lab2文件夹下； - 依次推进。
后续每次实验中也会再次强调提交文件的存放路径。
参考资料：
学习 Git¶
尽管 GitHub Web Panel 提供一部分编辑功能，为了在之后的实验中获得基本的操作体验，请同学们参考一下链接初步学会使用 Git：
可以重点关注这些子命令：init、add、commit、log、remote、push、pull、clone、branch、checkout、merge
Linux 编译¶
接下来实验一就算是正式开始了。
在编译源码前，我们需要先安装编译所需的依赖：
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
在 kernel.org 上可以下载到 Linux 内核的源代码。 此次实验，我们选择最新的稳定版，Linux 5.16.17 的内核进行编译。
请在 AMD64 架构下的 Linux 环境中进行编译。如果你使用的设备是 Apple M1 系列、架构为 ARM，请及时联系助教进行特殊安排。
下载好 linux-5.16.17.tar.xz 文件后，解压缩为文件夹 linux-5.16.17，进入后创建默认配置：
如果 Linux 5.16.17 已不是最新版本，可以直接选用最新版本。要点在于使用较新的 5.1x 版本来完成实验。
make defconfig
然后使用下列命令之一（推荐前两者），对 Linux 内核进行修改：
make xconfig
make menuconfig
make gconfig
make nconfig
初次编译可以不进行修改，体验编译的过程。
最后进行编译，执行：
make
如果你知道自己的设备有多少 CPU 核心（虚拟核心数，或者说 CPU 线程数，可以自行搜索超线程了解含义和区别），可以使用：
make -j <cores>
<cores> 可以自行调节，不大于上述 CPU 虚拟核心数较佳。
编译完成后可以使用 QEMU 进行测试：
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.16.17/arch/x86_64/boot/bzImage
重复上述的修改和编译过程，即可进行对于 Linux 内核的删减。
评分标准¶
- 提交编译好的内核文件
bzImage，保证其能够完成后续实验——1 分 bzImage文件大小小于 7MiB——1 分bzImage文件大小小于 6MiB——1 分bzImage文件大小小于 4MiB——1 分
提示¶
此次实验不是调参比赛，满分可以在只修改前两层选项的情况下轻松达成，请注意哪些选项是能够真正地、切实地影响编译后的内核大小的。
此环节同时会减少内核编译时间，使得后续浪费在编译上的时间减少。
文件路径¶
- 编译好的内核文件：置于
/lab1/bzImage - 编译内核时的配置文件：置于
/lab1/.config（可选）
创建初始内存盘¶
Linux 在启动时，会首先加载初始内存盘（initrd，init ram disk）进行初始化的操作。 下面我们讲解如何创建一个最小化的 initrd。
我们首先创建一个 C 程序，代码如下：
#include <stdio.h>
int main() {
printf("Hello, Linux!\n");
while (1) {}
}
更新：return 0; 被换为了 while (1) {}
保存为 init.c。
之后编译，静态链接为可执行程序：
gcc -static init.c -o init
创建一个新的目录用于暂存文件。 在新的目录下打包 initrd：
find . | cpio --quiet -H newc -o | gzip -9 -n > ../initrd.cpio.gz
这会在目录外创建压缩后的 initrd.cpio.gz 初始内存盘。
同样，我们使用 QEMU 测试效果：
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.16.17/arch/x86_64/boot/bzImage -initrd initrd.cpio.gz
当你在屏幕上看到 "Hello, Linux!" 的时候，就成功了。 如果你看不清输出的信息，又发现无法上翻，可以使用以下指令：
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.16.17/arch/x86_64/boot/bzImage -initrd initrd.cpio.gz -nographic -append console=ttyS0
注意此命令执行后 Ctrl+C 无法终止，需要关闭 Terminal 或者 kill 对应进程。
更新：注意：init 将会作为第一个用户态进程被启动，成为所有后续进程的父进程。此进程如果退出会导致 kernel panic。 如果你遇到了 kernel panic，又认为自己的操作没有问题，不妨使用上方指令查看 log 来确认一下。
评分标准¶
- 提交编译好的初始内存盘
initrd.cpio.gz，保证其能够显示 "Hello, Linux!"——2 分
文件路径¶
- 编译好的初始内存盘文件：置于
/lab1/initrd.cpio.gz
添加一个自定义的 Linux syscall¶
本节我们将为 Linux 添加一个自定义的 syscall，来获得一串字符串 "Hello, world!\n"。
首先回到 linux 源码文件夹 linux-5.16.17，添加一个文件 custom/hello.c：
#include <linux/string.h>
#include <linux/syscalls.h>
#include <linux/uaccess.h>
SYSCALL_DEFINE2(hello, char *, buf, size_t, buf_len)
{
static const char s[] = "Hello, world!\n";
if (strlen(s) <= buf_len) {
return copy_to_user(buf, s, sizeof(s));
} else {
return -1;
}
}
SYSCALL_DEFINE2 就是一个函数定义，此处能够很方便地同时为 32 bit 和 64 bit 声明对应函数。
此处可以直接使用 memcpy（内核态可以解引用用户态指针），不过 copy_to_user 可以协助校验目标地址是否可写。
接下来我们将此文件添加到 Linux 的编译工具链中。
打开 Makefile 文件，找到 kernel/ certs/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ 所在的行，将 custom/ 也添加到此列表中，变为：
<...>
core-y += kernel/ certs/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ custom/
<...>
再在 custom 下创建文件 Makefile，内容仅为：
obj-y := hello.o
之后编译时就会将我们自行添加的 custom/hello.c 文件纳入到编译和链接中了。
最后来解决 syscall 的部分。
既然我们的架构是 x86_64（或者说 amd64，兼容 x86），打开 arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl syscall 表文件在最后一行添加一个新 syscall：
<...>
548 common hello sys_hello
记住这个数字 548，之后我们会用此数字来进行调用。
然后在 include/linux/syscalls.h 中添加一行声明：
// <...>
asmlinkage long sys_hello(char *buf, int buf_len);
// <...>
接下来重新编译内核，syscall 就添加完成了。
我们可以用一个 initrd 程序来进行测试。
请自行查询 syscall Linux 文档，编写程序测试以上自行添加的自定义 syscall，使得提供的 buffer 长度在充足和不足时均能输出希望的结果：
- 长度充足时，返回 0，buffer 中存放完整的 "Hello, world!\n"
- 长度不充足时，返回 -1
评分标准¶
- 提交编译好的内核
bzImage，保证能够在 buffer 长度充足时完成 syscall——2 分 - 编译好的内核
bzImage也能保证在 buffer 长度不充足时完成 syscall——2 分 - 提交测试 syscall 的 initrd 源代码文件——2 分
文件路径¶
- 编译好的内核文件：置于
/lab1/syscall/bzImage - 测试 syscall 的源代码文件
/lab1/syscall/initrd.c
DDL 与总评分标准¶
此次实验截至时间为 4 月 16 日 23:59，以 commit 时间为准。
本次实验满分 10 分，由于所有可获得分数为 12 分，超出 10 分的分数会作为加分被计入实验总分。