能显示函数调用关系的ucore

操作系统中存在很多函数，通过函数间的调用来完成各种功能。在操作系统运行过程中，维持函数之间的调用关系，以及函数内部的局部变量是栈（stack）的基本功能。我们需要能够理解在操作系统中栈的实现细节和功能，这样能够更好地理解操作系统中函数如何相互调用，发现可能存在的问题。

实验目标

为了理解操作系统中的函数调用关系、传递参数和函数局部变量，我们设计了proj3.1，在ucore中增加了一个monitor子功能模块，能够分析出ucore在执行过程中的函数调用关系和函数传递的参数。通过分析proj3.1的实现，读者可了解基本栈结构，栈处理流程，GCC编译器的参数传递约定和构建函数调用关系的具体实现。

proj3.1概述

  1. 实现描述
    proj3.1建立在proj3的基础上，通过增加了一个monitor功能子模块，实现了一个能显示函数调用关系的ucore。简单地说proj3.1根据GCC生成的栈构建代码、函数参数压栈约定和实际函数调用过程中的栈结构内存空间，分析并显示函数调用关系。具体完成此工作的是print_stackframe函数。

  2. 项目组成
    proj3.1整体目录结构中新增加的主要内容如下所示：

    1.  proj3.1
    2.  |-- kern
    3.  |   |-- debug
    4.  |   |   |-- assert.h
    5.  |   |   |-- kdebug.c
    6.  |   |   |-- kdebug.h
    7.  |   |   |-- monitor.c
    8.  |   |   |-- monitor.h
    9.  |   |   |-- panic.c
    10.  |   |   `-- stab.h
    11.  |   |-- driver
    12.  |   |   `-- kbdreg.h
    13.  |   |-- init
    14.  |   |   `-- init.c
    15.  |   |-- libs
    16.  |   |   |-- readline.c
    17.  |   |   `-- stdio.c
    18.  |   `-- trap
    19.  |       `-- trap.h
    20.  |-- Makefile
    21.  `-- tools
    22.      |-- kernel.ld
    23.  ……

    proj3.1是基于proj3进一步扩展完成的。相对于proj3，一共增加了10个文件，主要集中在debug目录下，这一个比较大的跨越。不过仔细看来主要增加和修改的文件不多，具体新增内容如下所示：

    • kern/debug/monitor.[ch]：监视系统运行的monitor交互子模块
    • kern/debug/debug.[ch]：实现内存地址到函数名的映射和分析显示函数调用关系；
    • kern/libs/readline.c：实现monitor的接收字符输入的功能；
    • kern/driver/kbdreg.h：定义了键盘的键值；
    • kern/trap/trap.h：为了向后兼容中断的处理，先在此处写了一个空的trapframe结构；
    • tools/kernel.ld：指导ld工具软件链接各个.o目标文件形成ucore的kernel的链接脚本；

  3. 编译运行
    编译并运行proj3.1的命令如下：

    1.  cd proj3.1
    2.  make
    3.  make qemu

    当“K>”提示符出现后，可以敲入“help”字符串，可以看到当前的monitor有三个命令可以输入：help、kerninfo、backtrace。我们敲入“backtrace”字符串，则可以得到如下显示界面：

    1.  (THU.CST) os is loading ...
    3.  Welcome to the kernel debug monitor!!
    4.  Type 'help' for a list of commands.
    5.  K> help
    6.  help - Display this list of commands.
    7.  kerninfo - Display information about the kernel.
    8.  backtrace - Print backtrace of stack frame.
    9.  K> backtrace
    10.  ebp:0x00007b08 eip:0x0010073a args:0x00010094 0x00000000 0x00007b88 0x00100985 
    11.      kern/debug/kdebug.c:216: print_stackframe+25
    12.  ebp:0x00007b18 eip:0x00100a76 args:0x00000000 0x00007b3c 0x00000000 0x0000000a 
    13.      kern/debug/monitor.c:94: mon_backtrace+11
    14.  ebp:0x00007b88 eip:0x00100985 args:0x00108560 0x00000000 0x00007bb8 0x0010124c 
    15.      kern/debug/monitor.c:55: runcmd+135
    16.  ebp:0x00007bb8 eip:0x001009f8 args:0x00000000 0x00101ef0 0x0000065c 0x00000000 
    17.      kern/debug/monitor.c:70: monitor+75
    18.  ebp:0x00007be8 eip:0x00100059 args:0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x00007c4f 
    19.      kern/init/init.c:22: kern_init+89
    20.  ebp:0x00007bf8 eip:0x00007d5b args:0xc031fcfa 0xc08ed88e 0x64e4d08e 0xfa7502a8

    通过上图可以看到monitor能够把当前的函数调用关系给显示出来，而且不仅仅给出函数调用返回处的eip地址，还显示出了在实际源代码处的文件名和行号。如果ucore在执行过程中由于某种异常错误激发monitor执行（以后有这样的实验），我们就可以很容易找到问题出现在什么地方了。下面我们将从栈的基本概念、栈结构和栈处理过程等方面来分析上图中背后的东西。