Linux内核的启动过程初见

2017-03-11 本文已影响51人 athorn

陈松 + 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

讲真，因为启动过程太复杂，这个博客很难写，想了几天，不知道从哪里开始讲起。不过，不开始，永远不知道有多难写，那么就试试看。
***一般的学习主线是：Start_kernel(); –> rest_init(); -> kernel_init(); ***

在写的过程中，感觉到自己文字的生硬，完全是硬解，而不能算得上是真的理解。

内核代码交叉引用链接
在本地制作Menu OS，成功。

惯例，实验步骤如下：

启动Linux内核，但是在启动的时候使得CPU进入freeze状态，因为我们等下要用gdb单步调试。

cd LinuxKernel/
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

另外需要一个terminal窗口，建立gdb和之前我们在启动内核时qemu -s选项所启动的gdb server之间的连接。

gdb
（gdb）file linux-3.18.6/vmlinux # 加载符号表
（gdb）target remote:1234 # 建立gdb和gdbserver之间的连接
（gdb）b start_kernel # 在start_kernel处设置断点
（gdb）c # 继续运行

如下：

从上图可以看得出来，系统已经停止在了start_kernel处，接下来便是我们要分析的地方。

首先是lockdep_init，只是初始化一次hash表。
紧接着的是[set_task_stack_end_magic]((http://lxr.free-electrons.com/ident?v=3.18;i=set_task_stack_end_magic)(&init_task);从下图看得到，意图很简单，仅仅是为init_task设置堆栈的边界点，所谓的魔数,用来防止堆栈溢出。

对于单CPU，smp_setup_processor_id无作用。
接下来debug_objects_early_init，初始化buckets，即obj_hash。把static object pool数组的元素初始化成链表；
boot_init_stack_canary，初始化带防止栈溢出攻击保护的堆栈；
cgroup_init_early，初始化cgroup以及需要尽早启动的子系统；
local_irq_disable，关闭当前CPU的所有中断响应；

early_boot_irqs_disabled = true;告诉我们，在‘early bootup code’阶段，boot processor只能运行在中断禁止模式。只有当这个标志位为false的时候，才能运行一些被禁的操作。
紧接着下面的一大堆代码都是各种系统必要的初始化。这些初始化步骤很是复杂，每个都值得去深挖进去折腾好久。然而，我们目前的目的是搞清楚这个过程，要分清主干和枝叶。不然看得越深，陷得越深。
每个函数都够自己吃一壶的，哎。
WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n"); early_boot_irqs_disabled = false; local_irq_enable();
这两句代码和我们之前的early_boot_irqs_disabled = true;相呼应，查询是否中断已经被提前打开，是的话发出警告。同时告诉系统，现在中断已经被使能了，之前不能做的事情现在可以做了。
此处产生idle进程

从代码中可以看到，idle进程产生之后，立刻将其状态改变idle->state = TASK_RUNNING;

当console_init运行的时候，系统会设置控制台tty，把和控制台相关的东西都初始化，控制台初始化完毕，通过一系列函数指针的调用，系统就会打印出很多东西。

最引人注意的是从内核态进入用户态的rest_init函数了。
可以看到，系统是在kernel_thread中调用kernel_init,kernel_init 调用do_fork来产生1号进程的。

通过跟踪，我们发现，在schedule_preempt_disabled()函数中执行上下文切换，执行完schedule()之后立刻调度到kernet_init执行。

可以看到，在kernel_init中会调用run_init_process

跟踪调试的时候，发现总是不执行到下面的这一段语句：

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"))

run_init_process又调用do_execve。

跟踪之后，发现每次都是ramdisk_execute_command为真的时候，执行run_init_process，然后返回值ret为0（在gdb中打印的时候，总是无法打印出来之，提示optimized out，原因在于编译代码的过程中采用了-Ox的优化等级，不过可以猜测出来ret是0）。
显然函数返回了之后应该是进入用户态了吧。代码太庞杂。

到汇编了，就跟不下去了。可以用ni，si。

先到这里吧，慢慢品味。

Linux内核的启动过程初见

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