原创作品转载请注明出处 +《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

一、实验要求

使用gdb跟踪调试内核从start_kernel到init进程启动，详细分析从start_kernel到init进程启动的过程。

二、实验内容

详细分析从start_kernel到init进程启动的过程，内容围绕Linux内核的启动过程，即从start_kernel到init进程启动；仔细分析start_kernel函数的执行过程总结部分需要阐明自己对“Linux系统启动过程”的理解，尤其是idle进程、1号进程是怎么来的。

三、实验环境

实验楼linux内核分析课程线上虚拟机的linux环境

主要优点：环境免配置，使用方便，不消耗主机资源。

四、实验过程

1. 使用实验楼的虚拟机打开shell

cd LinuxKernel/ qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

内核启动完成后将进入menu程序（《软件工程C编码实践篇》的课程项目）。

2. 使用gdb跟踪调试内核

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S #关于-s和-S选项的说明： # -S freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution) # -s shorthand for -gdb tcp::1234 若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项

可以看到，内核启动中被冻结起来了，当前状态是Stopped。

另开一个shell窗口

gdb （gdb）file linux-3.18.6/vmlinux # 在gdb界面中targe remote之前加载符号表 （gdb）target remote:1234 # 建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行 （gdb）break start_kernel # 断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后

内核启动在start_kernel进程处停住了，在这之前从Power On开始是很长的初始化过程。

（gdb）c # 系统继续执行

按住c回车，系统就可以继续执行了，会一直执行到start_kernel的位置

查看start_kernel处的代码

第510行，全局变量init_task，即手工创建的PCB，0号进程初始化，0号进程就是最终的idle。

rest_init是start_kernel调用的最后一个函数。设置相关的断点，这里我们将断点设在函数rest_init处。继续程序并观察断点处代码。

在代码的第403行，第一个用户态进程开始创建。

五、代码分析

1.start_kernel函数的执行过程

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void) { char *command_line;//命令行，用来存放bootloader传递过来的参数 char *after_dashes; /* * Need to run as early as possible, to initialize the * lockdep hash: */ lockdep_init();//初始化内核依赖关系表，初始化hash表,内核调试模块，用来检查内核互斥机制（尤其是自旋锁）潜在的死锁问题。 set_task_stack_end_magic(&init_task);//初始化系统第一个task_struct结构体,手工创建的PCB，0号进程即最终的idle进程。 smp_setup_processor_id();// 设置对称多处理模型的处理器id debug_objects_early_init();//初始化debug kernel相关 /* * Set up the the initial canary ASAP: */ boot_init_stack_canary();//为栈增加保护机制，预防一些缓冲区溢出之类的攻击 cgroup_init_early();//Cgroup初始化，Cgroup是近代linux kernel出现的.它为进程和其后续的子进程提供了一种性能控制机制 local_irq_disable();//关闭当前CPU的中断 early_boot_irqs_disabled = true; /* * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then * enable them */ boot_cpu_init();//激活当前CPU page_address_init();//初始化高端内存的映射表 pr_notice("%s", linux_banner); setup_arch(&command_line);//对不同体系结构的CPU设置不同的参数、选项等 mm_init_cpumask(&init_mm); setup_command_line(command_line);//保存未改变的comand_line到字符数组static_command_line［］中。保存 boot_command_line到字符数组saved_command_line［］中 setup_nr_cpu_ids(); setup_per_cpu_areas();//每个CPU分配pre-cpu结构内存并复制.data.percpu段的数据 smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */ build_all_zonelists(NULL, NULL); page_alloc_init();//设置内存页分配通知器 pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line); parse_early_param();//解析cmdline中的启动参数 after_dashes = parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param, __stop___param - __start___param, -1, -1, &unknown_bootoption);//这行代码主要对传入内核参数进行解释，如果不能识别的命令就调用最后参数的函数 if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes)) parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1, set_init_arg); jump_label_init(); /* * These use large bootmem allocations and must precede * kmem_cache_init() */ setup_log_buf(0); pidhash_init(); vfs_caches_init_early(); //前期虚拟文件系统(vfs)的缓存初始化 sort_main_extable();//对内核异常表(exception table)按照异常向量号大小进行排序，以便加速访问 trap_init();//初始化硬件中断，函数中设置了很多中断门 mm_init();//建立内核的内存分配器 /* * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init() * time - but meanwhile we still have a functioning scheduler. */ sched_init();//初始化任务调度 /* * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely * fragile until we cpu_idle() for the first time. */ preempt_disable();//关闭优先级调度 if (WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n")) local_irq_disable(); idr_init_cache(); rcu_init();//初始化直接读拷贝更新的锁机制 context_tracking_init(); radix_tree_init(); /* init some links before init_ISA_irqs() */ early_irq_init(); init_IRQ();//中断向量的初始化 tick_init();//初始化tick控制功能，注册clockevents的框架 rcu_init_nohz(); init_timers();//初始化引导CPU的时钟相关的数据结构 hrtimers_init(); softirq_init();//初始化软件中断，软件中断与硬件中断区别就是中断发生时，软件中断是使用线程来监视中断信号，而硬件中断是使用CPU硬件来监视中断。 timekeeping_init(); time_init();//初始化系统时钟。开启一个硬件定时器，开始产生系统时钟就是system_timer的初始化 sched_clock_postinit(); perf_event_init(); profile_init(); call_function_init(); WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n"); early_boot_irqs_disabled = false; local_irq_enable(); kmem_cache_init_late();//核心Cache初始化 /* * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of * this. But we do want output early, in case something goes wrong. */ console_init();//控制台初始化 if (panic_later) panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later, panic_param); lockdep_info(); /* * Need to run this when irqs are enabled, because it wants * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs * too: */ locking_selftest(); #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD if (initrd_start && !initrd_below_start_ok && page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) { pr_crit("initrd overwritten (0xlx < 0xlx) - disabling it.\n", page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)), min_low_pfn); initrd_start = 0; } #endif page_cgroup_init(); debug_objects_mem_init(); kmemleak_init(); setup_per_cpu_pageset(); numa_policy_init(); if (late_time_init) late_time_init(); sched_clock_init(); calibrate_delay();//延迟校准 pidmap_init();//进程号位图初始化，一般用一个page来指示所有的进程PID占用情况 anon_vma_init();//初始化反向映射的匿名内存，提供反向查找内存的结构指针位置，快速地回收内存。 acpi_early_init(); #ifdef CONFIG_X86 if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) efi_enter_virtual_mode(); #endif #ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64 /* Should be run before the first non-init thread is created */ init_espfix_bsp(); #endif thread_info_cache_init(); cred_init(); fork_init(totalram_pages);//初始化kernel的fork()环境。 proc_caches_init();//进程缓存初始化，为进程初始化创建机制所需的其他数据结构申请空间 buffer_init(); //初始化文件系统的缓冲区，并计算最大可以使用的文件缓存。 key_init();//没有键盘则为空，如果有键盘，则为键盘分配一个高速缓存 security_init(); dbg_late_init(); vfs_caches_init(totalram_pages);//初始化虚拟文件系统 signals_init();//初始化内核信号队列 /* rootfs populating might need page-writeback */ page_writeback_init();//页面写机制初始化 proc_root_init();//初始化系统进程文件系统，主要提供内核与用户进行交互的平台，方便用户实时查看进程的信息。 cgroup_init(); cpuset_init();//初始化CPUSET，CPUSET主要为控制组提供CPU和内存节点的管理的结构。 taskstats_init_early(); delayacct_init(); check_bugs();//检查体系结构漏洞 acpi_subsystem_init(); sfi_init_late(); if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) { efi_late_init(); efi_free_boot_services(); } ftrace_init(); /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */ rest_init();//剩下的初始化工作,包括所有剩下的硬件驱动，线程初始化等 }

2.rest_init()

static noinline void __init_refok rest_init(void) { int pid;//定义pid变量存放进程号 rcu_scheduler_starting();//RCU(Read-Copy Update)锁机制启动 /* * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however * the init task will end up wanting to create kthreads, which, if * we schedule it before we create kthreadd, will OOPS. */ kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);//init进程在此时创建好了，但是现在还不能调度它，会阻塞在wait_for_completion处,等待kthreadd_done Signal,以便往后继续执行下去.。 numa_default_policy();//设定NUMA（Non-Uniform Memory Access Architecture）系统的内存访问策略为默认。 pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);//创建kthreadd内核线程，它的作用是管理和调度其它内核线程。 rcu_read_lock(); kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);//获取kthreadd的线程信息，获取完成说明kthreadd已经创建成功 rcu_read_unlock(); complete(&kthreadd_done);//通过一个complete变量（kthreadd_done）来通知kernel_init线程。 /* * The boot idle thread must execute schedule() * at least once to get things moving: */ init_idle_bootup_task(current);//当前0号进程init_task最终会退化成idle进程，所以这里让init_task进程隶属到idle调度类中。即选择idle的调度相关函数 schedule_preempt_disabled();//启动一次Linux Kernel Process的排成Context-Switch调度机制, 从而使得kernel_init即1号进程获得处理机 /* Call into cpu_idle with preempt disabled */ cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);//调用cpu_idle()，0号线程进入idle函数的循环，在该循环中会周期性地检查。 }

3.kernel_init()

static int __ref kernel_init(void *unused) { int ret; kernel_init_freeable(); /* need to finish all async __init code before freeing the memory */ async_synchronize_full(); free_initmem(); mark_rodata_ro(); system_state = SYSTEM_RUNNING; numa_default_policy(); flush_delayed_fput(); if (ramdisk_execute_command) {//这也就是Linux系统中的1号进程，是第一个用户态进程，默认是根目录下的一个程序；如果根目录下没有这个进程，系统会寻找其他的默认进程作为1号进程，当系统没有进程需要执行时就调度到idle进程。 ret = run_init_process(ramdisk_execute_command); if (!ret) return 0; pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n", ramdisk_execute_command, ret); } /* * We try each of these until one succeeds. * * The Bourne shell can be used instead of init if we are * trying to recover a really broken machine. */ if (execute_command) { ret = run_init_process(execute_command); if (!ret) return 0; pr_err("Failed to execute %s (error %d). Attempting defaults...\n", execute_command, ret); } if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") || !try_to_run_init_process("/etc/init") || !try_to_run_init_process("/bin/init") || !try_to_run_init_process("/bin/sh")) return 0; panic("No working init found. Try passing init= option to kernel. " "See Linux Documentation/init.txt for guidance."); }

六、总结

系统进入start_kernel这个函数之前已经进行了一些最低限度的初始化，再往前研究就涉及很多硬件相关及编程语言了。内核即进入了C语言部分，它完成了内核的大部分初始化工作。实际上，可以将start_kernel函数看做内核的main函数。

系统允许一个进程创建新进程，新进程即为子进程，子进程还可以创建新的子进程，形成进程树结构模型。整个linux系统的所有进程也是一个树形结构。Linux下有3个特殊的进程，idle进程(PID = 0), init进程(PID = 1)和kthreadd(PID = 2)。

最初执行的进程即是0号进程init_task，它是被静态产生的，内存栈的位置固定,执行一些初始化的工作。一直到start_kernel开始调用执行sched_init()，0号进程被init_idle(current, smp_processor_id())进程初始化成为一个idle task,变成上一次实验中的进程一样的，通过一个while循环不断执行，只要运行栈里没有别的进程它就执行，循环中不断检测运行栈里是否有其他进程并通过schedule函数进行调度。

init进程由idle通过kernel_thread创建，在内核空间完成初始化后, 加载init程序,是系统中所有其它用户进程的祖先进程Linux中的所有进程都是有init进程创建并运行的。首先Linux内核启动，然后在用户空间中启动init进程，再启动其他系统进程。在系统启动完成完成后，init将变为守护进程监视系统其他进程。

kthreadd进程由idle通过kernel_thread创建，并始终运行在内核空间, 负责所有内核线程的调度和管理，它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数，该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入到此链表中，因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程。

在本次实验中我初步体会了Linux系统的启动过程，但是对Linux系统的理解还不够深入，需要进一步加强，期待下一次的实验。

参考资料

构造一个简单的Linux系统MenuOS

Linux下0号进程的前世(init_task进程)今生(idle进程)