[原创]bochs2.2.1源代码分析 初始化过程

0 前言

出于个人兴趣，我决定读一读bochs的源码，一搜才发现网上的文档竟如此稀缺，除了官方稍显混乱的几本手册，能够找到的相对比较完整的资料就只有喻强的bochs项目源码分析与注释了，而且这个文档对于细节讲得不多，我初看的时候是一头雾水，断断续续摸索了好一阵，总算才理清了一些思路。由于代码篇幅较多，加上个人原因前后经历的时间也略长，中间有很多内容不是很熟悉了，想到了写点东西，一方面将之前所看部分重新梳理，另一方面可以方便后来人。

由于个人时间有限，我仅将现阶段已看完的部分整理出来，有很多细节没有搞透。虽然已经尽我所能，无奈个人能力不足，如有错误敬请各位批评指正，也欢迎大家补充。

1 环境搭建

Bochs有众多版本，每个版本有对应不同环境的多个变体，本文分析的是2.2.1 for win32版本（因为喻强的手册就是这个版本），用到的工具有VC6.0, VM12.5.5, SI4.0和Understand5.0

简单说来:

1.VC6.0+Windows 7+VMware12.5.5编译源码进行动态调试，bochs2.2.1 for win32的源码中已经建立好了工程，使用VC6.0直接编译即可

2.SI4.0+Understand5.0结合源码进行静态分析，用SI是因为习惯，用Understand是因为它那强大的图表功能

两个SI的技巧：

1.用SI4.0分析源码时使用Conditional Parsing功能，将不必要分析的代码略过；

2.由于代码中大量使用了SI未预定义的宏定义，需要修改c.tom文件以识别这些宏定义。

2 前置知识

bochs2.2.1使用C++编写，涉及到了类，继承，虚函数等概念，并用到了一些宏，这里仅对阅读源码时必备的知识作简单阐述，对具体概念和背后机理不作介绍。

2.1 关于宏定义中#和##的说明

在宏定义里，a##b就是把a,b连接起来：

假如定义了#define f(a,b) a##b则f(1,2)就是12，得到的是一个数12。

#a就是把a转化成字符串：

假如定义了#define g(a) #a  则g(f(1,2))得到的是f(1,2)转化成的字符串”12”。

2.2 父类与子类构造函数的说明

类的实例化过程需要调用构造函数，子类的实例化在调用自己的构造函数前需要调用父类的构造函数，对于子类没有显式调用父类构造函数的情况，可分为以下几种：

1.父类没有声明构造函数

(1).如果子类也没有声明自己的构造函数，则父类和子类均由编译器生成默认的构造函数；

(2).如果子类中声明了构造函数(无参或者带参)，在创建子类对象时，先调用父类默认的构造函数(编译器自动生成)，再调用子类的构造函数。

2.父类声明了无参构造函数

如果子类的构造函数没有显式地调用父类的构造，它将会调用父类的无参构造函数。也就是说，父类的无参构造函数将会被隐式地调用。

3.父类只声明了带参构造函数

因为父类只有带参的构造函数，所以如果子类中的构造函数没有显示地调用父类的带参构造函数，则会报错。也就是说，如果父类只声明了带参构造函数，子类则必须显示地调用父类的构造函数。

在bochs源码中大多以初始化列表的形式调用父类的带参构造函数：

bx_param_c::bx_param_c (bx_id id, char *name, char *description) : bx_object_c (id)    (siminterface.cpp, 797L)

或者以初始化列表形式初始化某一成员变量，但该变量是某个类的实例，因此还是会调用类的构造函数：

BX_CPU_C::BX_CPU_C(): bx_cpuid(0) ,local_apic (this)    (init.cpp, 34L)

local_apic是bx_local_apic_c类型的成员变量，为了初始化这个成员变量将会调用bx_local_apic_c的构造函数

2.3 不同模块中函数的导入与导出问题

一般而言，模块中定义了两种函数：导出函数(export function)和内部函数(internal function)。 
导出函数可以被其它模块调用，内部函数仅在定义它们的模块内部使用。

在要导出的函数、类、数据的声明前加上__declspec(dllexport)的修饰符，用来表示导出；

类似的，在声明前加上__declspec(dllimport)，可以表示某个类、函数是从外部模块中导入的。

实际中通常会遇到以下情况：

两个模块使用一个函数或者类，一个是提供者，一个是使用者，二者之间的接口是头文件。在头文件中声明方法，在提供者那里函数或类应该被声明为__declspec(dllexport)，在使用者那里，函数应该被声明为__declspec(dllimport)。

二者使用同一个头文件时可以使用条件编译：定义一个宏，针对提供者和使用者，设置不同的值。

#ifdef LABEL_VAR

#define LABEL_API __declspec(dllexport)

#else

#define LABEL_API __declspec(dllimport)

#endif

#include <string>

using std::string;

class LABEL_API LABEL_CLASS

{

STATEMENT

};

只需在提供者的头文件中定义LABEL_VAR，而使用者不定义LABEL_API，则能够很方便的实现函数形式的一致性。

在bochs中使用了宏定义BOCHSAPI实现上述功能

#if defined(WIN32) || defined(__CYGWIN__)

#  if BX_PLUGINS && defined(BX_PLUGGABLE)

//   #warning I will import DLL symbols from Bochs main program.

#    define BOCHSAPI __declspec(dllimport)

#  elif BX_PLUGINS

//   #warning I will export DLL symbols.

#    define BOCHSAPI __declspec(dllexport)

#  endif

可以认为使用BOCHSAPI宏修饰的一般都是全局使用的函数、结构或类

2.4 静态成员定义

在bochs中还会经常看到BX_XXX_THIS这种形式的宏

以dma的相关宏为例(dma.h, 32L)

#if BX_USE_DMA_SMF

#  define BX_DMA_SMF  static

#  define BX_DMA_THIS theDmaDevice->

#else

#  define BX_DMA_SMF

#  define BX_DMA_THIS this->

#endif

如果有多个实例，目标成员变量或函数将被定义为静态，静态成员指同一个类所有实例共享的成员：当某个类的实例修改了静态成员变量，其修改值为该类的其它所有实例所见，静态成员函数可以理解为在类中但跟类的实例无关的函数。

非静态成员每个类的实例都会有一个。

3 初始化完成的工作

解析命令行参数并修改相应的配置信息，读取用户配置信息，将相关的信息保存到内存中，初始化外设，初始化内存，初始化CPU，加载映像，开始模拟（顺序并非严格如此，过程存在交叉的情况）

初始化阶段最重要的工作就是根据用户输入的配置信息让CPU以不同的参数执行

4 初始化过程

4.0 全局对象

bochs中定义了很多全局变量，有些变量的类型是一个类，在mainCRTStartup的_cinit上下断点，可以看到是在_initterm(__xc_a, __xc_z)中调用了这些类的构造函数。

具体说来在main前就实例化的对象有：

1.static logfunctions thePluginLog;  (main.cpp, 88L)

代码位于logio.cpp, 261L

2.bx_pc_system_c bx_pc_system; (main.cpp, 99L)

代码位于pc_system.cpp, 58L

3.bx_devices_c bx_devices; (devices.cpp, 42L)

代码位于devices.cpp, 48L

4.bx_slowdown_timer_c bx_slowdown_timer; (slowdown_timer.cpp, 53L)

代码位于slowdown_timer.cpp, 55L

5.bx_virt_timer_c bx_virt_timer; (virt_timer.cpp, 111L)

代码位于virt_timer.cpp, 132L

6.bx_pit_c bx_pit; (pit_wrap.cpp, 53L)

代码位于pit_wrap.cpp, 84L

7.class bx_ioapic_c bx_ioapic;(ioapic.cpp, 10L)

代码位于ioapic.cpp, 32L 还显式调用了父类的构造函数bx_generic_apic_c(apic.cpp, 39L)

8.class bx_vnet_locator_c : public eth_locator_c {...} bx_vnet_match; (eth_vnet.cpp, 219L)

代码位于eth_vnet.cpp, 221L 还显式调用了父类的构造函数eth_locator_c(eth.cpp, 50L)

9.class bx_win32_locator_c : public eth_locator_c {...} bx_win32_match; (eth_win32.cpp, 222L)

代码位于eth_win32.cpp, 224L 还显式调用了父类的构造函数eth_locator_c

10.class bx_null_locator_c : public eth_locator_c {...} bx_null_match; (eth_null.cpp, 67L)

代码位于eth_null.cpp, 69L 还显式调用了父类的构造函数eth_locator_c

11.BOCHSAPI BX_CPU_C    bx_cpu; (cpu.cpp, 60L)

代码位于init.cpp, 32L 还调用了local_apic的构造函数bx_local_apic_c (apic.cpp, 390L)

12.BOCHSAPI BX_MEM_C    bx_mem; (cpu.cpp, 61L)

代码位于misc_mem.cpp, 41L

13.bxPageWriteStampTable pageWriteStampTable; (cpu.cpp, 70L)

代码位于icache.h, 51L&&52L

14.bx_keymap_c bx_keymap;  (keymap.cpp, 75L)

代码位于keymap.cpp, 79L

入口函数main中将命令行参数传给了bx_startup_flags，这是一个名为bx_startup_flags_t的结构体(siminterface.h, 1525L)，用于保存命令行参数。main最终调用了bxmain()函数，正如名字所暗示的那样，这个函数才是bochs的真正入口，main只是起到了一个封装的作用。

4.1 用户配置接口相关对象创建

在bx_init_siminterface中实例化了两个对象

logfunctions():siminterface_log和bx_real_sim_c():SIM

4.1.1 日志类和IO类

定义在logio.cpp中

iofunction主要提供了IO的文件句柄和文件名，以及日志类的实例

logfunction主要实现了日志功能，对不同日志级别（类型）可以有不同的处理方式

日志级别（类型）有五种DEBUG, INFO, ERROR, PANIC和PASS

处理方式有四种IGNORE, REPORT, ASK和FATAL

默认的处理方式为

int logfunctions::default_onoff[N_LOGLEV] = {

  ACT_IGNORE,  //debug

  ACT_REPORT,  //info

  ACT_REPORT,  //error

  ACT_FATAL,    //panic

  ACT_FATAL    //pass

};

main.cpp中定义了一个全局变量static logfunctions thePluginLog;在mainCRTStartup中执行它的构造函数时初始化了全局变量io，参数是FILE*类型的stderr，在初始化io的过程中文件句柄logfd设为stderr，文件名logfn设为”/dev/stderr”，io创建的过程中会初始化一个新的logfunction对象。

logfunction的成员函数set(io)会将当前logfuction加入到io的logfn_list数组中，也就是说一个iofunction可以对应多个logfunction；而一个logfunction只对应一个iofunction

bochs中用到的主要类都以logfunctions为基类，而logfunctions类存在无参数的构造函数，因此以上的这些类都将默认的调用logfunctions的构造函数

4.1.2 配置接口类

定义在siminterface.cpp和siminterface.h中

bx_real_sim_c的构造函数中创建了一个数组param_registry(siminterface.cpp, 228L)，这个数组中存放了所有的用户配置信息，bx_real_sim_c类是bx_simulator_interface_c类的子类，对于这两个类，源码中有较为详细的解释，以下内容来源于注释：

传统的bochs界面是一个有许多VGA显示块和按钮的窗口，开发者需要在gui下实现不同的版本，x.cpp, win32.cpp, beos.cpp, macintosh.cpp等，让gui.h和gui.cpp定义独立于平台的部分函数。很少有参数能够在运行时修改。

而现在bochs中引入了两个和用户界面相关的概念：CI(Configuration Interface)和VGAW(VGA display Window)

VGAW就是bochs的图形化界面；

CI是让用户能够编辑一系列配置和运行时选项而设计的用户接口，一些选项如内存大小，是否开启网卡应该在运行前启动，而如软盘映像，每秒种指令数等参数可以在运行时修改。

由于用户界面可以以多种形式表现，标准输入输出，图形化界面或web浏览器等等，不同的用户界面形式可能需要不同的CI实现版本，甚至可能以加载插件的形式实现用户界面，因此开发者将CI封装起来，设计了siminterface类，用户只需使用siminterface提供的接口就可以修改CI，这样一来使得CI的界面可以很容易的改变形式，同时siminterface也成为CI和虚拟机之间的桥梁。

CI和虚拟机是完全分离的，两者都可以独立编译，事实上CI的代码中不包含bochs.h头文件（这是虚拟机的核心头文件），所有CI对虚拟机的行为都已经封装在siminterface中了。

基类bx_simulator_interface_c中只包含虚函数，并且定义了CI使用的接口，实现均在子类bx_real_sim_c中。

4.1.3 参数类

在siminterface的实现中有一个很重要的概念——参数类，用户配置的参数是由一些基本的类型组成，如字符串，整型，bool量等，bochs中对这些类型进行了封装，每种类型都有各自的成员变量及方法，所有的定义都在siminterface.h中

使用understand能够很方便的得到UML类图，小图看不清，附件有jpg图

在UML类图中使用三层矩形框表示类，第一层显示类的名称；第二层是字段和属性；第三层是类的方法。

图中每一个成员前面的符号：‘+’表示public，‘-’表示private，‘#’表示protected。

1.对于相对抽象的父类型，成员变量包含变量的信息：

bx_object_c(siminterface.h, 871L)中设定了id和type

bx_param_c(siminterface.h, 883L)中设定了一些提示信息（用于提示用户输入）以及描述信息

2.对于相对具体的子类型，成员变量包含类型的限制和具体值：

bx_list_c(siminterface.h, 1145L)为数组类型，由指向bx_param_c的指针组成

bx_param_num_c(siminterface.h, 924L)为整数类型，成员变量中包含了最大值、最小值，基数等信息

bx_param_bool_c(siminterface.h, 1043L)是bx_param_num_c的特例

bx_param_enum_c(siminterface.h, 1074L)为枚举类型，成员变量中包含了一个指针数组，每个指针指向一个参数类的实例

bx_param_string_c(siminterface.h, 1094L)为字符串类型，成员变量中包含了最大长度、分隔符等信息

bx_param_filename_c(siminterface.h, 1136L)是bx_param_string_c的特例

3.两种指针类型:

bx_shadow_num_c(siminterface.h, 986L)和bx_shadow_bool_c(siminterface.h, 1059L)，成员变量中包含一个指针指向相应的类型实例

4.2 设置返回点

setjmp和longjmp的配合使用可以实现goto语句的功能，可以从一个位置跳转到另一个位置，但它不像goto语句那样只能在一个函数内跳转，它可以跨函数跳转，能够在栈上跳过若干栈帧，返回到当前函数调用路径上的某一函数中。

用法如下：

#include <setjmp.h>

Int setjmp(jmp_buf  env);

这个函数相当于设置goto语句要跳转的位置，env可以理解为goto语句的标签

若直接调用则返回0，若由longjmp调用返回至此则返回longjmp中的val值

void longjmp(jmp_buf env,int val);

这个函数相当于goto语句

调用此函数会返回到设置env的语句即setjmp所在位置，val 是要设置的setjmp的返回值。

一般在发生异常时使用这种跳转功能

4.3 参数初始化

在bx_init_main(main.cpp, 416L)中对环境和各参数进行简单的初始化，可以参考附件中的excel文件

1.使用宏SAFE_GET_IOFUNC(bochs.h, 359L)和SAFE_GET_GENLOG(bochs.h, 361L)确保全局的IO类和日志类实例的有效性。

SAFE_GET_GENLOG会创建一个全局的日志类实例genlog

2.在bx_init_bx_dbg(main.cpp, 932L)中对一个bx_debug_t结构体类型(bochs.h, 424L)的全局变量bx_dbg进行赋值;

3.在bx_init_options(config.cpp, 372L)中将各种系统配置参数和外设的相关参数放到bx_real_sim_c的成员数组param_registry中，bx_options是bx_options_t结构体类型(bochs.h, 615L)，它是由一系列的指针或指针构成的结构体组成，参数的实际存放位置在bx_real_sim_c::param_registry中(siminterface.cpp, 256L)

一般一个参数会包含初始值，限制值（整数的最大最小值，字符串的长度），名称和描述等信息，ask_format和label用于编辑模式中显示提示信息（请求输入参数）和标签（在有些GUI的实现中，输入一些特殊参数时会产生对话框，这时标签将作为对话框的标题）

设置某些参数时还会注册handler和enable_handler

handler仅在下述成员函数中使用：

bx_param_string_c类型的get和set

bx_param_num_c类型的get64和set

bx_shadow_num_c类型的get64和set

bx_shadow_bool_c类型的get64和set

也就是只在读取和修改变量时使用，因此不难理解：handler主要用于增加一个对数据进行处理的接口，以便在取得值前可以对数据进行一次处理，也就是相当于一个“钩子”

同样的，enable_handler仅在下述成员函数中使用：

bx_param_string_c类型的set_enabled

bx_param_num_c类型的set_enabled

也就是将变量设为可用时使用

注意bx_param_bool_c, bx_param_enum_c, bx_shadow_bool_c和bx_shadow_num_c都是bx_param_num_c的子类，它们都可能被handler和enable_handler“挂钩”

4.在bx_print_header ()中输出bochs的版本信息(main.cpp, 106L)

5.对命令行参数进行解析(main.cpp, 439L)，如果设置了配置文件(main.cpp, 584L)，将会在bx_read_configuration(config.cpp, 1884L)中解析配置文件，并在bx_real_sim_c::param_registry中作出修改（通过bx_options结构中的指针）

6.在bx_parse_cmdline(config.cpp, 1901L)中重新对命令行参数进行了解析，因为之前读取配置文件的参数可能和命令行参数有所冲突，要以命令行参数为准，因此重新解析了一次，以覆盖相同的参数设置

7.在plugin_startup(plugin.cpp, 452L)中对几个全局的函数指针进行了初始化，它们会在插件的初始化函数init或者一些功能函数中被调用。

4.4 确定并注册CI

1.从之前得到的参数表中找到BXP_SEL_CONFIG_INTERFACE参数，这个参数决定了选择哪种CI，预设有两种CI：textconfig和wx，这里选择textconfig

2.在init_text_config_interface(textconfig.cpp, 1019L)中注册了textconfig的回调函数，回调函数为ci_callback(textconfig.cpp, 992L)，回调函数参数为空，并设置了bx_real_sim_c::registered_ci_name

4.5 启动CI

启动CI的代码被封装在bx_real_sim_c::configuration_interface(siminterface.cpp, 256L)中

1.对注册的CI进行进一步检查，包括检查ci_callback是否为空(siminterface.cpp, 731L)，重新读取参数表的BXP_SEL_CONFIG_INTERFACE参数(siminterface.cpp, 729L)，并与registered_ci_name比较看是否一致(siminterface.cpp, 735L)，

2.调用set_display_mode (DISP_MODE_CONFIG)时(siminterface.cpp, 744L)，bx_gui还未初始化，因此实际上什么也不执行

3.调用回调函数ci_callback(siminterface.cpp, 745L)，command参数设为CI_START

5 CI

ci_callback(textconfig.cpp, 992L)

根据不同的command参数执行不同的函数，但核心函数只有两个：

1.bx_config_interface_init(textconfig.cpp, 731L)

实际调用的是bx_real_sim_c::set_notify_callback，与bx_real_sim_c::registered_ci_name类似，它设置了一个用于通知事件的回调函数，回调函数的参数设为空

2.bx_config_interface(textconfig.cpp, 378L)

调用时传入的参数取决于参数表中BXP_BOCHS_START参数的值

该参数为BX_QUICK_START时传入BX_CI_START_SIMULATION，否则传入BX_CI_START_MENU

程序在运行过程中有可能传入BX_CI_RUNTIME(svga.cpp, 364L && gui.cpp, 474L)，BX_CI_START_OPTS(textconfig.cpp, 420L)

5.1 BX_CI_START_SIMULATION

直接开始进行模拟，调用bx_real_sim_c::begin_simulation(siminterface.cpp, 751L)

这个成员函数封装了bx_begin_simulation(main.cpp, 717L)函数

5.1.1 GUI的初始化及其他

1.在load_and_init_display_lib(main.cpp, 628L)函数中初始化了bx_gui，以win32为例，调用PLUG_load_plugin (win32, PLUGTYPE_OPTIONAL)(main.cpp, 696L)，也就是libwin32_LTX_plugin_init，这个函数是由IMPLEMENT_GUI_PLUGIN_CODE宏(gui.h, 384L)展开得到的(win32.cpp, 57L)，实际上是调用了bx_win32_gui_c的构造函数（这个构造函数为空）

2.在bx_init_hardware(main.cpp, 737L)函数中，根据siminterface的默认日志记录行为来设置io的日志记录行为，将CPU的配置信息输出到日志文件中

3.检查是否设置了rom映像(main.cpp, 843L)

5.1.2内存的初始化

在bxPageWriteStampTable::alloc(icache.h, 55L)中根据设置的内存大小分配cache空间，初始值为0x1fffffff

在BX_MEM_C::init_memory(misc_mem.cpp, 94L)中分配内存空间

alloc_vector_aligned (memsize + (1 << 18) + 4096, BX_MEM_VECTOR_ALIGN);

实际分配的比设定值要大 (1 << 18) + 4096 256K+4K=260K

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