kernel 启动过程之三， start_kernel()函数 概叙！init/main.c

http://blog.csdn.net/pottichu/article/details/4261228

核心数据结构初始化--内核引导第一部分

 

start_kernel()中调用了一系列初始化函数，以完成kernel本身的设置。 这些动作有的是公共的，有的则是需要配置的才会执行的。

在start_kernel()函数中，

 

• 输出Linux版本信息（printk(linux_banner)）
• 设置与体系结构相关的环境（setup_arch()）
• 页表结构初始化（paging_init()）
• 使用"arch/alpha/kernel/entry.S"中的入口点设置系统自陷入口（trap_init()）
• 使用alpha_mv结构和entry.S入口初始化系统IRQ（init_IRQ()）
• 核心进程调度器初始化（包括初始化几个缺省的Bottom-half，sched_init()）
• 时间、定时器初始化（包括读取CMOS时钟、估测主频、初始化定时器中断等，time_init()）
• 提取并分析核心启动参数（从环境变量中读取参数，设置相应标志位等待处理，（parse_options()）
• 控制台初始化（为输出信息而先于PCI初始化，console_init()）
• 剖析器数据结构初始化（prof_buffer和prof_len变量）
• 核心Cache初始化（描述Cache信息的Cache，kmem_cache_init()）
• 延迟校准（获得时钟jiffies与CPU主频ticks的延迟，calibrate_delay()）
• 内存初始化（设置内存上下界和页表项初始值，mem_init()）
• 创建和设置内部及通用cache（"slab_cache"，kmem_cache_sizes_init()）
• 创建uid taskcount SLAB cache（"uid_cache"，uidcache_init()）
• 创建文件cache（"files_cache"，filescache_init()）
• 创建目录cache（"dentry_cache"，dcache_init()）
• 创建与虚存相关的cache（"vm_area_struct"，"mm_struct"，vma_init()）
• 块设备读写缓冲区初始化（同时创建"buffer_head"cache用户加速访问，buffer_init()）
• 创建页cache（内存页hash表初始化，page_cache_init()）
• 创建信号队列cache（"signal_queue"，signals_init()）
• 初始化内存inode表（inode_init()）
• 创建内存文件描述符表（"filp_cache"，file_table_init()）
• 检查体系结构漏洞（对于alpha，此函数为空，check_bugs()）
• SMP机器其余CPU（除当前引导CPU）初始化（对于没有配置SMP的内核，此函数为空，smp_init()）
• 启动init过程（创建第一个核心线程，调用init()函数，原执行序列调用cpu_idle() 等待调度，init()）

至此start_kernel()结束，基本的核心环境已经建立起来了。

对于I386平台 
i386平台上的内核启动过程与此基本相同，所不同的主要是实现方式。

对于2.4.x版内核 
2.4.x中变化比较大，但基本过程没变，变动的是各个数据结构的具体实现，比如Cache。

 

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外设初始化--内核引导第二部分

init()函数作为核心线程，首先锁定内核（仅对SMP机器有效），然后调用 do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化。过程如下：

 

• 总线初始化（比如pci_init()）
• 网络初始化（初始化网络数据结构，包括sk_init()、skb_init()和proto_init()三部分，在proto_init()中，将调用protocols结构中包含的所有协议的初始化过程，sock_init()）
• 创建bdflush核心线程（bdflush()过程常驻核心空间，由核心唤醒来清理被写过的内存缓冲区，当bdflush()由kernel_thread()启动后，它将自己命名为kflushd）
• 创建kupdate核心线程（kupdate()过程常驻核心空间，由核心按时调度执行，将内存缓冲区中的信息更新到磁盘中，更新的内容包括超级块和inode表）
• 设置并启动核心调页线程kswapd（为了防止kswapd启动时将版本信息输出到其他信息中间，核心线调用kswapd_setup()设置kswapd运行所要求的环境，然后再创建 kswapd核心线程）
• 创建事件管理核心线程（start_context_thread()函数启动context_thread()过程，并重命名为keventd）
• 设备初始化（包括并口parport_init()、字符设备chr_dev_init()、块设备 blk_dev_init()、SCSI设备scsi_dev_init()、网络设备net_dev_init()、磁盘初始化及分区检查等等，device_setup()）
• 执行文件格式设置（binfmt_setup()）
• 启动任何使用__initcall标识的函数（方便核心开发者添加启动函数，do_initcalls()）
• 文件系统初始化（filesystem_setup()）
• 安装root文件系统（mount_root()）

至此do_basic_setup()函数返回init()，在释放启动内存段（free_initmem()）并给内核解锁以后，init()打开 /dev/console设备，重定向stdin、stdout和stderr到控制台，最后，搜索文件系统中的init程序（或者由init=命令行参 数指定的程序），并使用 execve()系统调用加载执行init程序。

init()函数到此结束，内核的引导部分也到此结束了，这个由start_kernel()创建的第一个线程已经成为一个用户模式下的进程了。此时系统中存在着六个运行实体：

• start_kernel()本身所在的执行体，这其实是一个"手工"创建的线程，它在创建了init()线程以后就进入cpu_idle()循环了，它不会在进程（线程）列表中出现
• init线程，由start_kernel()创建，当前处于用户态，加载了init程序
• kflushd核心线程，由init线程创建，在核心态运行bdflush()函数
• kupdate核心线程，由init线程创建，在核心态运行kupdate()函数
• kswapd核心线程，由init线程创建，在核心态运行kswapd()函数
• keventd核心线程，由init线程创建，在核心态运行context_thread()函数

对于I386平台 
基本相同。

对于2.4.x版内核 
这一部分的启动过程在2.4.x内核中简化了不少，缺省的独立初始化过程只剩下网络 （sock_init()）和创建事件管理核心线程，而其他所需要的初始化都使用__initcall()宏 包含在do_initcalls()函数中启动执行。

 

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init进程和inittab引导指令

init进程是系统所有进程的起点，内核在完成核内引导以后，即在本线程（进程）空 间内加载init程序，它的进程号是1。

init程序需要读取/etc/inittab文件作为其行为指针，inittab是以行为单位的描述性（非执行性）文本，每一个指令行都具有以下格式：

id:runlevel:action:process其中id为入口标识符，runlevel为运行级别，action为动作代号，process为具体的执行程序。

id一般要求4个字符以内，对于getty或其他login程序项，要求id与tty的编号相同，否则getty程序将不能正常工作。

runlevel是init所处于的运行级别的标识，一般使用0－6以及S或s。0、1、6运行级别被系统保留，0作为shutdown动作，1作为重启 至单用户模式，6为重启；S和s意义相同，表示单用户模式，且无需inittab文件，因此也不在inittab中出现，实际上，进入单用户模式时， init直接在控制台（/dev/console）上运行/sbin/sulogin。

在一般的系统实现中，都使用了2、3、4、5几个级别，在Redhat系统中，2表示无NFS支持的多用户模式，3表示完全多用户模式（也是最常用的级 别），4保留给用户自定义，5表示XDM图形登录方式。7－9级别也是可以使用的，传统的Unix系统没有定义这几个级别。runlevel可以是并列的 多个值，以匹配多个运行级别，对大多数action来说，仅当runlevel与当前运行级别匹配成功才会执行。

initdefault是一个特殊的action值，用于标识缺省的启动级别；当init由核心激活 以后，它将读取inittab中的initdefault项，取得其中的runlevel，并作为当前的运行级 别。如果没有inittab文件，或者其中没有initdefault项，init将在控制台上请求输入 runlevel。

sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行，而忽略其中的runlevel，其余的action（不含initdefault）都与某个runlevel相关。各个action的定义在inittab的man手册中有详细的描述。

在Redhat系统中，一般情况下inittab都会有如下几项：

id:3:initdefault:#表示当前缺省运行级别为3--完全多任务模式；si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit#启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3    #当运行级别为3时，以3为参数运行/etc/rc.d/rc脚本，init将等待其返回0:12345:respawn:/sbin/mingetty tty0 #在1－5各个级别上以tty0为参数执行/sbin/mingetty程序，打开tty0终端用于#用户登录，如果进程退出则再次运行mingetty程序x:5:respawn:/usr/bin/X11/xdm -nodaemon#在5级别上运行xdm程序，提供xdm图形方式登录界面，并在退出时重新执行

 

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rc启动脚本

上一节已经提到init进程将启动运行rc脚本，这一节将介绍rc脚本具体的工作。

一般情况下，rc启动脚本都位于/etc/rc.d目录下，rc.sysinit中最常见的动作就是激活交换分区，检查磁盘，加载硬件模块，这些动作无论 哪个运行级别都是需要优先执行的。仅当rc.sysinit执行完以后init才会执行其他的boot或bootwait动作。

如果没有其他boot、bootwait动作，在运行级别3下，/etc/rc.d/rc将会得到执行，命令行参数为3，即执行 /etc/rc.d/rc3.d/目录下的所有文件。rc3.d下的文件都是指向/etc/rc.d/init.d/目录下各个Shell脚本的符号连 接，而这些脚本一般能接受start、stop、restart、status等参数。rc脚本以start参数启动所有以S开头的脚本，在此之前，如果 相应的脚本也存在K打头的链接，而且已经处于运行态了（以/var/lock/subsys/下的文件作为标志），则将首先启动K开头的脚本，以stop 作为参数停止这些已经启动了的服务，然后再重新运行。显然，这样做的直接目的就是当init改变运行级别时，所有相关的服务都将重启，即使是同一个级别。

rc程序执行完毕后，系统环境已经设置好了，下面就该用户登录系统了。

 

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getty和login

在rc返回后，init将得到控制，并启动mingetty（见第五节）。mingetty是getty的简化，不能处理串口操作。getty的功能一般包括：

• 打开终端线，并设置模式
• 输出登录界面及提示，接受用户名的输入
• 以该用户名作为login的参数，加载login程序

注：用于远程登录的提示信息位于/etc/issue.net中。

login程序在getty的同一个进程空间中运行，接受getty传来的用户名参数作为登录 的用户名。

如果用户名不是root，且存在/etc/nologin文件，login将输出nologin文件的内容， 然后退出。这通常用来系统维护时防止非root用户登录。

只有/etc/securetty中登记了的终端才允许root用户登录，如果不存在这个文件， 则root可以在任何终端上登录。/etc/usertty文件用于对用户作出附加访问限制，如果 不存在这个文件，则没有其他限制。

当用户登录通过了这些检查后，login将搜索/etc/passwd文件（必要时搜索 /etc/shadow文件）用于匹配密码、设置主目录和加载shell。如果没有指定主目录，将 默认为根目录；如果没有指定shell，将默认为/bin/sh。在将控制转交给shell以前， getty将输出/var/log/lastlog中记录的上次登录系统的信息，然后检查用户是否有新 邮件（/usr/spool/mail/{username}）。在设置好shell的uid、gid，以及TERM，PATH 等环境变量以后，进程加载shell，login的任务也就完成了。

 

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bash

运行级别3下的用户login以后，将启动一个用户指定的shell，以下以/bin/bash为例继续我们的启动过程。

bash是Bourne Shell的GNU扩展，除了继承了sh的所有特点以外，还增加了很多特 性和功能。由login启动的bash是作为一个登录shell启动的，它继承了getty设置的TERM、PATH等环境变量，其中PATH对于普通用户为"/bin:/usr/bin:/usr/local/bin"，对于root 为"/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin"。作为登录shell，它将首先寻找/etc/profile 脚本文件，并执行它；然后如果存在~/.bash_profile，则执行它，否则执行 ~/.bash_login，如果该文件也不存在，则执行~/.profile文件。然后bash将作为一个 交互式shell执行~/.bashrc文件（如果存在的话），很多系统中，~/.bashrc都将启动 /etc/bashrc作为系统范围内的配置文件。

当显示出命令行提示符的时候，整个启动过程就结束了。此时的系统，运行着内核， 运行着几个核心线程，运行着init进程，运行着一批由rc启动脚本激活的守护进程（如 inetd等），运行着一个bash作为用户的命令解释器。

读核笔记－系统启动－001（综述）

 

广义上讲，一般LINUX的内核启动过程按照如下六个部分，本文主要以PPC603E为主，结合公共的部分来讲述启动过程，

1     内核的引导(核内引导)

2     运行init

3     系统初始化

4     启动对应运行级别的守护进程

5     建立终端

6     登录系统，启动完成

 

对Linux内核进行移植，必须对内核的布局及其启动过程有所了解。从内核的布局上看，分为特定于体系结构的部分和与体系结构无关的部分。在内核源码树下，Linux把特定于体系结构的代码放在arch目录下，而所需的头文件放在include目录下。例如arch／ppc目录下就是特定于PowerPC体系结构的代码。
　　内核启动时总是特定于体系结构的部分首先执行，设置硬件寄存器、配置内存映射、执行特定于体系结构的初始化，然后将控制转给内核中与体系结构无关的部分，内核启动流程如图2所示。

1          内核的引导(核内引导)

（1）CPU复位后，调用存储在ROM中的初始化代码完成对片上设备的必要初始化。
（2）Bootloader把内核解压到RAM中的指定位置，之后从内核入口地址处(_start)调用内核初始化程序（arch／ppc／kernel／head．S/xxx.S）并传递内核启动参数。

（3）汇编文件最后结束，调用start_kernel，进入C语言代码；

Notes: 一般来说，Kernel目录下面有多个类似 head.s文件，特定CPU具体对应那个.S文件，可以参照对应的makefile文件；

（4）start_kernel

内核从现在开始就进入了c语言部分，内核启动第二阶段从init/main.c的start_kernel()函数开始到函数结束。这一阶段对整个系统内存、cache、信号、设备等进行初始化，最后产生新的内核线程init后，调用cpu_idle()完成内核第二阶段。start_kernel()函数中，做了大量的工作来建立基本的Linux核心环境。如果顺利执行完start_kernel()，则基本的Linux核心环境已经建立起来了。

 

2          运行init

init的进程号是1，从这一点就能看出，init进程是系统所有进程的起点，Linux在完成核内引导以后，就开始运行init程序，。init程序需要读取配置文件/etc/inittab。inittab是一个不可执行的文本文件，它有若干行指令所组成。在Redhat系统中，inittab的内容如下所示(以“###"开始的中注释为笔者增加的)：

#

# inittab       This file describes how the INIT process should set up
　　#               the system in a certain run-level.
　　#
　　# Author:       Miquel van Smoorenburg,

　　#               Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
　　#

　　# Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
　　#   0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
　　#   1 - Single user mode
　　#   2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
　　#   3 - Full multiuser mode
　　#   4 - unused
　　#   5 - X11
　　#   6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
　　#
　　###表示当前缺省运行级别为5(initdefault)；
　　id:5:initdefault:

　　###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
　　# System initialization.
　　si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

　　l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
　　l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
　　l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
　　l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
　　l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
　　###当运行级别为5时，以5为参数运行/etc/rc.d/rc脚本，init将等待其返回(wait)
　　l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
　　l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6

　　###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
　　# Trap CTRL-ALT-DELETE
　　ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now

　　# When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes
　　# of power left.  Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
　　# This does, of course, assume you have powerd installed and your
　　# UPS connected and working correctly.
　　pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"

　　# If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
　　pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"

　　###在2、3、4、5级别上以ttyX为参数执行/sbin/mingetty程序，打开ttyX终端用于用户登录，
　　###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)
　　# Run gettys in standard runlevels
　　1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
　　2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
　　3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
　　4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
　　5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
　　6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6

　　###在5级别上运行xdm程序，提供xdm图形方式登录界面，并在退出时重新执行(respawn)
　　# Run xdm in runlevel 5
　　x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon

以上面的inittab文件为例，来说明一下inittab的格式。其中以#开始的行是注释行，除了注释行之外，每一行都有以下格式： 
　　id:runlevel:action:process

　　对上面各项的详细解释如下：

　　1. id

　　id是指入口标识符，它是一个字符串，对于getty或mingetty等其他login程序项，要求id与tty的编号相同，否则getty程序将不能正常工作。

　　2. runlevel

　　runlevel是init所处于的运行级别的标识，一般使用0－6以及S或s。0、1、6运行级别被系统保留：其中0作为shutdown动作，1作为重启至单用户模式，6为重启；S和s意义相同，表示单用户模式，且无需inittab文件，因此也不在inittab中出现，实际上，进入单用户模式时，init直接在控制台（/dev/console）上运行/sbin/sulogin。在一般的系统实现中，都使用了2、3、4、5几个级别，在Redhat系统中，2表示无NFS支持的多用户模式，3表示完全多用户模式（也是最常用的级别），4保留给用户自定义，5表示XDM图形登录方式。7－9级别也是可以使用的，传统的Unix系统没有定义这几个级别。runlevel可以是并列的多个值，以匹配多个运行级别，对大多数action来说，仅当runlevel与当前运行级别匹配成功才会执行。

　　3. action

　　action是描述其后的process的运行方式的。action可取的值包括：initdefault、sysinit、boot、bootwait等：

　　initdefault是一个特殊的action值，用于标识缺省的启动级别；当init由核心激活以后，它将读取inittab中的initdefault项，取得其中的runlevel，并作为当前的运行级别。如果没有inittab文件，或者其中没有initdefault项，init将在控制台上请求输入runlevel。

　　sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行，而忽略其中的runlevel。

　　其余的action（不含initdefault）都与某个runlevel相关。各个action的定义在inittab的man手册中有详细的描述。

　　4. process

　　process为具体的执行程序。程序后面可以带参数

 

 3          系统初始化

在init的配置文件中有这么一行：

　　si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

　　它调用执行了/etc/rc.d/rc.sysinit，而rc.sysinit是一个bash shell的脚本，它主要是完成一些系统初始化的工作，rc.sysinit是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。它主要完成的工作有：激活交换分区，检查磁盘，加载硬件模块以及其它一些需要优先执行任务。

　　rc.sysinit约有850多行，但是每个单一的功能还是比较简单，而且带有注释，建议有兴趣的用户可以自行阅读自己机器上的该文件，以了解系统初始化所详细情况。由于此文件较长，所以不在本文中列出来，也不做具体的介绍。

　　当rc.sysinit程序执行完毕后，将返回init继续下一步。

 

 4          启动对应运行级别的守护进程

在rc.sysinit执行后，将返回init继续其它的动作，通常接下来会执行到/etc/rc.d/rc程序。以运行级别3为例，init将执行配置文件inittab中的以下这行：

　　l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5

　　这一行表示以5为参数运行/etc/rc.d/rc，/etc/rc.d/rc是一个Shell脚本，它接受5作为参数，去执行/etc/rc.d/rc5.d/目录下的所有的rc启动脚本，/etc/rc.d/rc5.d/目录中的这些启动脚本实际上都是一些链接文件，而不是真正的rc启动脚本，真正的rc启动脚本实际上都是放在/etc/rc.d/init.d/目录下。而这些rc启动脚本有着类似的用法，它们一般能接受start、stop、restart、status等参数。

　　/etc/rc.d/rc5.d/中的rc启动脚本通常是K或S开头的链接文件，对于以以S开头的启动脚本，将以start参数来运行。而如果发现存在相应的脚本也存在K打头的链接，而且已经处于运行态了(以/var/lock/subsys/下的文件作为标志)，则将首先以stop为参数停止这些已经启动了的守护进程，然后再重新运行。这样做是为了保证是当init改变运行级别时，所有相关的守护进程都将重启。

　　至于在每个运行级中将运行哪些守护进程，用户可以通过chkconfig或setup中的"System Services"来自行设定。常见的守护进程有：

　　amd：自动安装NFS守护进程
　　apmd:高级电源管理守护进程
　　arpwatch：记录日志并构建一个在LAN接口上看到的以太网地址和IP地址对数据库
　　autofs：自动安装管理进程automount，与NFS相关，依赖于NIS
　　crond：Linux下的计划任务的守护进程
　　named：DNS服务器
　　netfs：安装NFS、Samba和NetWare网络文件系统
　　network：激活已配置网络接口的脚本程序
　　nfs：打开NFS服务
　　portmap：RPC portmap管理器，它管理基于RPC服务的连接
　　sendmail：邮件服务器sendmail
　　smb：Samba文件共享/打印服务
　　syslog：一个让系统引导时起动syslog和klogd系统日志守候进程的脚本
　　xfs：X Window字型服务器，为本地和远程X服务器提供字型集
　　Xinetd：支持多种网络服务的核心守护进程，可以管理wuftp、sshd、telnet等服务

　　这些守护进程也启动完成了，rc程序也就执行完了，然后又将返回init继续下一步。

 

 5          建立终端

rc执行完毕后，返回init。这时基本系统环境已经设置好了，各种守护进程也已经启动了。init接下来会打开6个终端，以便用户登录系统。通过按Alt+Fn(n对应1-6)可以在这6个终端中切换。在inittab中的以下6行就是定义了6个终端：

　　1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
　　2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
　　3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
　　4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
　　5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
　　6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6

　　从上面可以看出在2、3、4、5的运行级别中都将以respawn方式运行mingetty程序，mingetty程序能打开终端、设置模式。同时它会显示一个文本登录界面，这个界面就是我们经常看到的登录界面，在这个登录界面中会提示用户输入用户名，而用户输入的用户将作为参数传给login程序来验证用户的身份。

 

 6          登录系统，启动完成

　对于运行级别为5的图形方式用户来说，他们的登录是通过一个图形化的登录界面。登录成功后可以直接进入KDE、Gnome等窗口管理器。而本文主要讲的还是文本方式登录的情况：

　　当我们看到mingetty的登录界面时，我们就可以输入用户名和密码来登录系统了。

　　Linux的账号验证程序是login，login会接收mingetty传来的用户名作为用户名参数。然后login会对用户名进行分析：如果用户名不是root，且存在/etc/nologin文件，login将输出nologin文件的内容，然后退出。这通常用来系统维护时防止非root用户登录。只有/etc/securetty中登记了的终端才允许root用户登录，如果不存在这个文件，则root可以在任何终端上登录。/etc/usertty文件用于对用户作出附加访问限制，如果不存在这个文件，则没有其他限制。

　　在分析完用户名后，login将搜索/etc/passwd以及/etc/shadow来验证密码以及设置账户的其它信息，比如：主目录是什么、使用何种shell。如果没有指定主目录，将默认为根目录；如果没有指定shell，将默认为/bin/bash。

　　login程序成功后，会向对应的终端在输出最近一次登录的信息(在/var/log/lastlog中有记录)，并检查用户是否有新邮件(在/usr/spool/mail/的对应用户名目录下)。然后开始设置各种环境变量：对于bash来说，系统首先寻找/etc/profile脚本文件，并执行它；然后如果用户的主目录中存在.bash_profile文件，就执行它，在这些文件中又可能调用了其它配置文件，所有的配置文件执行后后，各种环境变量也设好了，这时会出现大家熟悉的命令行提示符，到此整个启动过程就结束了。

　　希望通过上面对Linux启动过程的剖析能帮助那些想深入学习Linux用户建立一个相关Linux启动过程的清晰概念，进而可以进一步研究Linux接下来是如何工作的。

读核笔记－内核初始化－从start_kernel到init

 

如图所示，内核的初始化过程由start_kernel函数开始，至第一个用户进程init结束，调用了一系列的初始化函数对所有的内核组件进行初始化。其中，start_kernel、rest_init、kernel_init、init_post等4个函数构成了整个初始化过程的主线。

 

图  内核初始化

 

本节接下来的内容会结合内核代码，对内核初始化过程主线上的几个函数进行分析，使读者对该过程有个整体上的认识，以此为基础，读者可以根据自己的兴趣或需要，选择与某些组件相关的初始化函数，进行更进一步的研究分析。

 

u     start_kernel函数

从start_kernel函数开始，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。

代码清单1  start_kernel函数

513 asmlinkage void __init start_kernel(void) 

514 { 

515     char * command_line; 

516     extern struct kernel_param __start___param[], __stop___param[]; 

517 

        /* 

         * 当只有一个CPU的时候这个函数就什么都不做，

         * 但是如果有多个CPU的时候那么它就 

         * 返回在启动的时候的那个CPU的号 

         */ 

518     smp_setup_processor_id(); 

519 

520     /* 

521      * Need to run as early as possible, to initialize the 

522      * lockdep hash: 

523      */ 

524     unwind_init(); 

525     lockdep_init(); 

526 

        /* 关闭当前CPU的中断 */ 

527     local_irq_disable(); 

528     early_boot_irqs_off(); 

        /* 

         * 每一个中断都有一个中断描述符（struct irq_desc）来进行描述，这个函数的 

         * 作用就是设置所有中断描述符的锁 

         */ 

529     early_init_irq_lock_class(); 

530 

531 /* 

532  * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then 

533  * enable them 

534  */ 

        /* 获取大内核锁，锁定整个内核。 */ 

535     lock_kernel(); 

        /* 如果定义了CONFIG_GENERIC_CLOCKEVENTS，则注册clockevents框架 */ 

536     tick_init(); 

537     boot_cpu_init(); 

        /* 初始化页地址，使用链表将其链接起来 */ 

538     page_address_init(); 

539     printk(KERN_NOTICE); 

        /* 显示内核的版本信息 */ 

540     printk(linux_banner); 

        /* 

         * 每种体系结构都有自己的setup_arch()函数，是体系结构相关的，具体编译哪个 

         * 体系结构的setup_arch()函数,由源码树顶层目录下的Makefile中的ARCH变量 

         * 决定 

         */ 

541     setup_arch(&command_line); 

542     setup_command_line(command_line); 

543     unwind_setup(); 

        /* 每个CPU分配pre-cpu结构内存， 并复制.data.percpu段的数据 */ 

544     setup_per_cpu_areas(); 

545     smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */ 

546 

547     /* 

548      * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the 

549      * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init() 

550      * time - but meanwhile we still have a  functioning scheduler. 

551      */ 

        /* 进程调度器初始化 */ 

552     sched_init(); 

553     /* 

554      * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely 

555      * fragile until we cpu_idle() for the first time. 

556      */ 

        /* 禁止内核抢占 */ 

557     preempt_disable(); 

558     build_all_zonelists(); 

559     page_alloc_init(); 

        /* 打印Linux启动命令行参数 */ 

560     printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %s\n", boot_command_line); 

        /* 对内核选项的两次解析 */ 

561     parse_early_param(); 

562     parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param, 

563            __stop___param - __start___param, 

564            &unknown_bootoption); 

        /* 检查中断是否已经打开，如果已经打开，则关闭中断 */ 

565     if (!irqs_disabled()) { 

566         printk(KERN_WARNING "start_kernel(): bug: interrupts were " 

567                 "enabled *very* early, fixing it\n"); 

568         local_irq_disable(); 

569     } 

570     sort_main_extable(); 

        /* 

         * trap_init函数完成对系统保留中断向量（异常、非屏蔽中断以及系统调用）               

         * 的初始化，init_IRQ函数则完成其余中断向量的初始化 

         */ 

571     trap_init(); 

        /* 初始化RCU(Read-Copy Update)机制 */ 

572     rcu_init(); 

573     init_IRQ(); 

        /* 初始化hash表，便于从进程的PID获得对应的进程描述符指针 */ 

574     pidhash_init(); 

        /* 初始化定时器相关的数据结构 */ 

575     init_timers(); 

        /* 对高精度时钟进行初始化 */ 

576     hrtimers_init(); 

        /* 初始化tasklet_softirq和hi_softirq */ 

577     softirq_init(); 

578     timekeeping_init(); 

        /* 初始化系统时钟源 */ 

579     time_init(); 

        /* 对内核的profile（一个内核性能调式工具）功能进行初始化 */ 

580     profile_init(); 

581     if (!irqs_disabled()) 

582         printk("start_kernel(): bug: interrupts were enabled early\n"); 

583     early_boot_irqs_on(); 

584     local_irq_enable(); 

585 

586     /* 

587      * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before 

588      * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of 

589      * this. But we do want output early, in case something goes wrong. 

590      */ 

        /* 

         * 初始化控制台以显示printk的内容，在此之前调用的printk 

         * 只是把数据存到缓冲区里 

         */ 

591     console_init(); 

592     if (panic_later) 

593         panic(panic_later, panic_param); 

594 

        /* 如果定义了CONFIG_LOCKDEP宏，则打印锁依赖信息，否则什么也不做 */ 

595     lockdep_info(); 

596 

597     /* 

598      * Need to run this when irqs are enabled, because it wants 

599      * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs 

600      * too: 

601      */ 

602     locking_selftest(); 

603 

604 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD 

605     if (initrd_start && !initrd_below_start_ok && 

606             initrd_start < min_low_pfn << PAGE_SHIFT) { 

607         printk(KERN_CRIT "initrd overwritten 
(0x%08lx < 0x%08lx) - " 

608             "disabling it.\n",initrd_start,
min_low_pfn << PAGE_SHIFT); 

609         initrd_start = 0; 

610     } 

611 #endif 

        /* 虚拟文件系统的初始化 */ 

612     vfs_caches_init_early(); 

613     cpuset_init_early(); 

614     mem_init(); 

        /* slab初始化 */ 

615     kmem_cache_init(); 

616     setup_per_cpu_pageset(); 

617     numa_policy_init(); 

618     if (late_time_init) 

619         late_time_init(); 

        /* 

         * 一个非常有趣的CPU性能测试函数，可以计算出CPU在1s内执行了多少次一个 

         * 极短的循环，计算出来的值经过处理后得到BogoMIPS值（Bogo是Bogus的意思）， 

         */ 

620     calibrate_delay(); 

621     pidmap_init(); 

        /* 接下来的函数中，大多数都是为有关的管理机制建立专用的slab缓存 */ 

622     pgtable_cache_init(); 

        /* 初始化优先级树index_bits_to_maxindex数组 */ 

623     prio_tree_init(); 

624     anon_vma_init(); 

625 #ifdef CONFIG_X86 

626     if (efi_enabled) 

627         efi_enter_virtual_mode(); 

628 #endif 

        /* 根据物理内存大小计算允许创建进程的数量 */ 

629     fork_init(num_physpages); 

        /* 

         * proc_caches_init()，buffer_init()，
unnamed_dev_init()， key_init() 

         * 

         */ 

630     proc_caches_init(); 

631     buffer_init(); 

632     unnamed_dev_init(); 

633     key_init(); 

634     security_init(); 

635     vfs_caches_init(num_physpages); 

636     radix_tree_init(); 

637     signals_init(); 

638     /* rootfs populating might need page-writeback */ 

639     page_writeback_init(); 

640 #ifdef CONFIG_PROC_FS 

641     proc_root_init(); 

642 #endif 

643     cpuset_init(); 

644     taskstats_init_early(); 

645     delayacct_init(); 

646 

        /* 

         * 测试该CPU的各种缺陷，记录检测到的缺陷，以便于内核的其他部分以后可以 

         * 使用它们的工作。 

         */ 

647     check_bugs(); 

648 

649     acpi_early_init(); /* before LAPIC and SMP init */ 

650 

651     /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */ 

        /* 创建init进程 */ 

652     rest_init(); 

653 }

 

2 reset_init函数

在start_kernel函数的最后调用了reset_init函数进行后续的初始化。

代码清单2  reset_init函数

438 static void noinline __init_refok rest_init(void) 

439     __releases(kernel_lock) 

440 { 

441     int pid; 

442  

        /* reset_init()函数最主要的历史使命就是启动内核线程kernel_init */ 

443     kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND); 

444     numa_default_policy(); 

        /* 启动内核线程kthreadd，运行kthread_create_list全局链表中的kthread */ 

445     pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES); 

446     kthreadd_task = find_task_by_pid(pid); 

447     unlock_kernel(); 

448  

449     /* 

450      * The boot idle thread must execute schedule() 

451      * at least once to get things moving: 

452      */ 

        /*  

         * 增加idle进程的need_resched标志， 并且调用schedule释放CPU,  

         * 将其赋给更应该获取CPU的进程。 

         */ 

453     init_idle_bootup_task(current); 

454     preempt_enable_no_resched(); 

455     schedule(); 

456     preempt_disable(); 

457  

458     /* Call into cpu_idle with preempt disabled */ 

        /* 

         * 进入idle循环以消耗空闲的CPU时间片， 该函数从不返回。然而，当有实际工作 

         * 要处理时，该函数就会被抢占。 

         */ 

459     cpu_idle(); 

460 }

 

3 kernel_init函数

kernel_init函数将完成设备驱动程序的初始化，并调用init_post函数启动用户空间的init进程。

代码清单3  kernel_init函数

813 static int __init kernel_init(void * unused) 

814 { 

815     lock_kernel(); 

816     /* 

817      * init can run on any cpu. 

818      */ 

        /* 修改进程的CPU亲和力 */ 

819     set_cpus_allowed(current, CPU_MASK_ALL); 

820     /* 

821      * Tell the world that we're going to be the grim 

822      * reaper of innocent orphaned children. 

823      * 

824      * We don't want people to have to make incorrect 

825      * assumptions about where in the task array this 

826      * can be found. 

827      */ 

        /* 把当前进程设为接受其他孤儿进程的进程 */ 

828     init_pid_ns.child_reaper = current; 

829 

830     __set_special_pids(1, 1); 

831     cad_pid = task_pid(current); 

832 

833     smp_prepare_cpus(max_cpus); 

834 

835     do_pre_smp_initcalls(); 

836 

        /* 激活SMP系统中其他CPU */ 

837     smp_init(); 

838     sched_init_smp(); 

839 

840     cpuset_init_smp(); 

841 

        /* 

         * 此时与体系结构相关的部分已经初始化完成，现在开始调用do_basic_setup函数 

         * 初始化设备，完成外设及其驱动程序（直接编译进内核的模块）的加载和初始化 

         */ 

842     do_basic_setup(); 

843 

844     /* 

845      * check if there is an early userspace init.  If yes, let it do all 

846      * the work 

847      */ 

848 

849     if (!ramdisk_execute_command) 

850         ramdisk_execute_command = "/init"; 

851 

852     if (sys_access((const char __user *)ramdisk_execute_command, 0) != 0) { 

853         ramdisk_execute_command = NULL; 

854         prepare_namespace(); 

855     } 

856 

857     /* 

858      * Ok, we have completed the initial bootup, and 

859      * we're essentially up and running. Get rid of the 

860      * initmem segments and start the user-mode stuff. 

861      */ 

862     init_post(); 

863     return 0; 

864 }

 

4 init_post函数

到init_post函数为止，内核的初始化已经进入尾声，第一个用户空间进程init将姗姗来迟。

代码清单4  init_post函数

774 static int noinline init_post(void) 

775 { 

776     free_initmem(); 

777     unlock_kernel(); 

778     mark_rodata_ro(); 

779     system_state = SYSTEM_RUNNING; 

780     numa_default_policy(); 

781  

782     if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0) 

783         printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\n"); 

784  

785     (void) sys_dup(0); 

786     (void) sys_dup(0); 

787  

788     if (ramdisk_execute_command) { 

789         run_init_process(ramdisk_execute_command); 

790         printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s\n", 

791                 ramdisk_execute_command); 

792     } 

793  

794     /* 

795      * We try each of these until one succeeds. 

796      * 

797      * The Bourne shell can be used instead of init if we are 

798      * trying to recover a really broken machine. 

799      */ 

800     if (execute_command) { 

801         run_init_process(execute_command); 

802         printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s.  Attempting " 

803                     "defaults...\n", execute_command); 

804     } 

805     run_init_process("/sbin/init"); 

806     run_init_process("/etc/init"); 

807     run_init_process("/bin/init"); 

808     run_init_process("/bin/sh"); 

809  

810     panic("No init found.  Try passing init= option to kernel."); 

811 }

 

第776行，到此，内核初始化已经接近尾声了，所有的初始化函数都已经被调用，因此free_initmem函数可以舍弃内存的__init_begin至__init_end（包括.init.setup、.initcall.init等节）之间的数据。

所有使用__init标记过的函数和使用__initdata标记过的数据，在free_initmem函数执行后，都不能使用，它们曾经获得的内存现在可以重新用于其他目的。

第782行，如果可能，打开控制台设备，这样init进程就拥有一个控制台，并可以从中读取输入信息，也可以向其中写入信息。

实际上init进程除了打印错误信息以外，并不使用控制台，但是如果调用的是shell或者其他需要交互的进程，而不是init，那么就需要一个可以交互的输入源。如果成功执行open，/dev/console即成为init的标准输入源（文件描述符0）。

第785～786行，调用dup打开/dev/console文件描述符两次。这样，该控制台设备就也可以供标准输出和标准错误使用（文件描述符1和2）。假设第782行的open成功执行（正常情况），init进程现在就拥有3个文件描述符--标准输入、标准输出以及标准错误。

第788～804行，如果内核命令行中给出了到init进程的直接路径（或者别的可替代的程序），这里就试图执行init。

因为当kernel_execve函数成功执行目标程序时并不返回，只有失败时，才能执行相关的表达式。接下来的几行会在几个地方查找init，按照可能性由高到低的顺序依次是： /sbin/init，这是init标准的位置；/etc/init和/bin/init，两个可能的位置。

第805～807行，这些是init可能出现的所有地方。如果在这3个地方都没有发现init，也就无法找到它的同名者了，系统可能就此崩溃。因此，第808行会试图建立一个交互的shell（/bin/sh）来代替，希望root用户可以修复这种错误并重新启动机器。

第810行，由于某些原因，init甚至不能创建shell。当前面的所有情况都失败时，调用panic。这样内核就会试图同步磁盘，确保其状态一致。如果超过了内核选项中定义的时间，它也可能会重新启动机器。