Linux kernel
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Please notice that there are several guides for kernel developers and users.
These guides can be rendered in a number of formats, like HTML and PDF.

In order to build the documentation, use ``make htmldocs`` or
``make pdfdocs``.

There are various text files in the Documentation/ subdirectory,
several of them using the Restructured Text markup notation.
See Documentation/00-INDEX for a list of what is contained in each file.

Please read the Documentation/process/changes.rst file, as it contains the
requirements for building and running the kernel, and information about
the problems which may result by upgrading your kernel.

How to Build this Kernel

주어진 tizen 커널에 다음과 같은 과정을 거쳐 새로운 system call인 sys_ptree를 등록할 수 있다.

1. syscall 번호 등록
   • 모든 syscall은 syscall table에서 관리한다. syscall이 작동하기 위해선 이 table의 빈 번호에 새로 등록할 syscall을 할당해야한다.
   • 이 커널은 aarch64이므로 arch/arm64/include/asm/unistd32.h, include/uapi/asm-generic/unistd.h에서 398번을 할당한다.
   • include/uapi/asm-generic/unistd.h, arch/arm64/include/asm/unistd.h 등의 최대 syscall 범위를 398보다 큰 숫자(예:399)로 바꿔 398번 syscall을 사용할 수 있게 한다.
2. include/linux/prinfo.h 헤더 파일에 prinfo 구조체를 선언해준다.
3. include/linux/syscalls.h 헤더 파일에 asmlinkage int sys_ptree()를 선언한다.
4. ~/kernel/ptree.c에 sys_ptree 함수를 구현한다.
5. 커널 Makefile(kernel/Makefile)에 obj-y +=ptree.o 를 추가해 컴파일될 수 있도록 한다.
6. ./build-rpi3-arm64.sh을 실행하여 변경된 커널을 컴파일한다.

Design & Implementation

1. int sys_ptree(struct prinfo *buf, int *nr) sys_ptree()을 실행하면 우선 error 상황을 확인한다. buf 또는 nr 포인터가 NULL을 가리키거나, entry 개수가 1 미만인 등 함수 argument에 문제가 있다면 -EINVAL을 반환한다. access_ok를 통해 nr, buf를 확인하여 access 불가능할 경우 -EFAULT를 반환한다. 커널 프로그램에서 user memory space에 계속 접근하는 것은 커널 패닉을 일으킬 수 있으므로, 입력된 nr 값을 nr_max에 재할당한다. 이제 프로세스 트리를 만들 준비가 끝났으면 process_tree_traversal() 함수를 실행하여 preorder로 각 프로세스 정보를 확인하고 process_info에 저장한다. 이 과정에서 실행 중인 프로세스가 바뀌는 것을 막기 위해 read_lock(&tasklist_lock)을 걸어놓는다. 이 전체 과정이 끝나면 copy_to_user를 통해 트리 탐색 결과를 buf에, 탐색한 프로세스 개수를 nr에 복사한다. 그 뒤, 모든 실행 중인 프로세스 수를 반환한다. buf에 포함되지 않은 프로세스도 ptree 실행 당시 실행 중이었다면 반환값에 포함한다.
2. void process_tree_traversal(struct prinfo *process_infos, struct task_struct *task, int max_cnt, int *curr_cnt, int* true_cnt) process_infos는 프로세스 정보를 담아둘 struct 배열, task는 현재 확인 중인 프로세스의 task_struct, max_cnt는 process_infos에 담을 프로세스 개수의 상한, curr_cnt는 프로세스 iteration을 위한 커서, true_cnt는 모든 실행 중인 프로세스 수를 뜻한다. process_tree_traversal()을 실행하면 현재 새로운 프로세스를 확인 중이므로 true_cnt이 가리키는 값을 1만큼 증가시키고, 아직 주어진 프로세스 탐색 개수만큼 프로세스를 탐색하지 않았을 경우 task가 가리키는 프로세스를 탐색한다. 프로세스의 state, pid, parent_pid, first_child_pid, next_sibling_pid, uid, 프로세스명 등의 정보가 모두 task_struct의 멤버로 포함되어 있으므로, task의 각 멤버에 접근한 뒤 이 정보를 process_infos의 curr_cnt번째 원소에 저장하는 방식으로 정보를 순서대로 저장한다. Linux에서 모든 프로세스는 init_task의 child process이다. 그러므로 init_task를 root로 하고 프로세스 트리를 순회하면 모든 프로세스를 탐색할 수 있다. 현재 확인중인 struct의 정보가 모두 입력되면, 남은 프로세스들을 preorder로 순회한다. task_struct는 다른 프로세스의 task_struct와 linked list로 연결되어 있기 때문에, linux에서 제공하는 list_for_each_entry 매크로 함수를 통해 이 linked list를 순회하는 방식으로 preorder traversal을 구현하였다.

Investigation of the Process Tree

테스트 코드를 실행해보면 pid 0, 1, 2는 항상 swapper, systemd, kthreadd가 차지하는 것을 알 수 있다. 각 스레드의 역할은 다음과 같다.

• swapper 프로세스는 CPU에 스케줄링할 다른 프로세스가 없을 때 실행되는 프로세스로, 부팅 시 pid 1에 해당하는 systemd를 실행하는 것 외에는 다른 역할이 없다. swapper는 가장 낮은 우선순위를 가지는 프로세스이다.
• systemd (system daemon) 프로세스는 시스템을 부팅하고 다른 프로세스들을 관리하는 역할을 하며, 기존에 사용되었던 init을 대체하는 역할을 한다. 기존 init 프로세스보다 빠르고 효율적으로 부팅하기 위해 부팅 시 실행하는 프로세스를 최소화하고, 프로세스를 최대한 병렬적으로 실행한다. systemctl 명령어로 커널 상에서 사용할 수 있다.
• kthreadd 프로세스는 모든 커널 스레드의 부모 프로세스이며, 커널 스레드를 생성하는 프로세스이다. kthread_create(), kthread_run(), kthread_bind(), kthread_stop(), kthread_should_stop(), kthread_data() 등의 api 호출시 커널 스레드를 fork한다.

Lessons learned

수업 내용과 프로젝트 내용이 큰 관련이 없어 어려움을 많이 겪었다. 하지만 과제 수행을 위해 따로 커널에 대해 공부하면서 커널 프로그래밍에 대한 지식을 쌓을 수 있었고, 커널 프로그래밍에서 커널 관련 지식의 중요성을 느낄 수 있었다.