Linux内核启动流程（简介）

1. vmlinux.lds

首先分析 Linux 内核的连接脚本文件 arch/arm/kernel/vmlinux.lds，通过链接脚本可以找到 Linux 内核的第一行程序是从哪里执行的:

第 493 行的 ENTRY 指明了了 Linux 内核入口，入口为 stext，stext 定义在文件arch/arm/kernel/head.S 中 ， 因 此 要 分 析 Linux 内核的启动流程，就得先从文件arch/arm/kernel/head.S 的 stext 处开始分析

2. 内核启动流程分析

2.1 内核入口stext

stext 是 Linux 内核的入口地址，在文件 arch/arm/kernel/head.S 中有如下所示提示内容

如图可知：如果要启动Linux，启动要求如下：

• 关闭 MMU。
• 关闭 D-cache。
• I-Cache 无所谓。
• r0=0。
• r1=machine nr(也就是机器 ID)。
• r2=atags 或者设备树(dtb)首地址。
  Linux 内核的入口点 stext 其实相当于内核的入口函数，stext 函数内容如下：
  
  proc_info_list 在文件arch/arm/include/asm/procinfo.h 中的定义如下：

struct proc_info_list {
 unsigned int cpu_val;
 unsigned int cpu_mask;
 unsigned long __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */
 unsigned long __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */
 unsigned long __cpu_flush; /* used by head.S */
 const char *arch_name;
 const char *elf_name;
 unsigned int elf_hwcap;
 const char *cpu_name;
 struct processor *proc;
 struct cpu_tlb_fns *tlb;
 struct cpu_user_fns *user;
 struct cpu_cache_fns *cache;
};

Linux 内核将每种处理器都抽象为一个 proc_info_list 结构体，每种处理器都对应一个procinfo。因此可以通过处理器 ID 来找到对应的 procinfo 结构__lookup_processor_type 函数找到对应处理器的 procinfo 以后会将其保存到 r5 寄存器中
继续回到源代码：

2.2 __mmap_switched函数

2.3 start_kernel函数

start_kernel 通过调用众多的子函数来完成 Linux 启动之前的一些初始化工作，由于start_kernel 函数里面调用的子函数太多，而这些子函数又很复杂，因此我们简单的来看一些重要的子函数。精简并添加注释后的 start_kernel 函数内容如下：

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
	char *command_line;
	char *after_dashes;

	/*
	 * Need to run as early as possible, to initialize the
	 * lockdep hash:
	 */
	lockdep_init(); //死锁检测模块，两个Hash表，此函数要尽早执行
	set_task_stack_end_magic(&init_task); //任务栈结束魔术数，用于检测栈溢出
	smp_setup_processor_id();//跟 SMP 有关(多核处理器)，设置处理器 ID
	debug_objects_early_init(); //debug初始化

	/*
	 * Set up the the initial canary ASAP:
	 */
	boot_init_stack_canary(); //栈溢出检测初始化

	cgroup_init_early(); // cgroup初始化，cgroup用于检测linux系统资源

	local_irq_disable(); // 关闭当前cpu中断
	early_boot_irqs_disabled = true; // 

/*
 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
 * enable them
 */
	boot_cpu_init(); // CPU有关初始化
	page_address_init(); // 页地址初始化
	pr_notice("%s", linux_banner); // 打印linux版本号和编译时间等信息
	setup_arch(&command_line); /* 架构相关的初始化，此函数会解析传递进来的
								* ATAGS 或者设备树(DTB)文件。会根据设备树里面
								* 的 model 和 compatible 这两个属性值来查找
								* Linux 是否支持这个单板。此函数也会获取设备树
								* 中 chosen 节点下的 bootargs 属性值来得到命令
								* 行参数，也就是 uboot 中的 bootargs 环境变量的
								* 值，获取到的命令行参数会保存到
								*command_line 中。
								*/
	mm_init_cpumask(&init_mm); // 内存相关初始化
	setup_command_line(command_line); // 存储命令行参数
	setup_nr_cpu_ids(); // 如果是多核，此函数用于获取CPU核心数量
	setup_per_cpu_areas(); // 设置每个CPU的pre-cpu数据
	smp_prepare_boot_cpu();	 // 

	build_all_zonelists(NULL, NULL); // 建立系统内存页区链表
	page_alloc_init(); // 处理用于CPU热插拔的页

	/* 打印命令行信息 */
	pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line); // 
	parse_early_param(); //  解释命令行中console参数
	after_dashes = parse_args("Booting kernel", // 
				  static_command_line, __start___param,
				  __stop___param - __start___param,
				  -1, -1, &unknown_bootoption);
	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); // 设置log使用的缓冲区
	pidhash_init(); // 构建PID哈希表
	vfs_caches_init_early(); // 预先初始化 vfs(虚拟文件系统)的目录项和索引节点缓存
	sort_main_extable(); // 定义内核异常列表
	trap_init(); // 完成对系统保留中断向量的初始化
	mm_init(); // 内存管理初始化

	/*
	 * 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(); // 初始化调度器，主要初始化一些结构体
	/*
	 * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
	 * fragile until we cpu_idle() for the first time.
	 */
	preempt_disable(); // 关闭优先级抢占
	if (WARN(!irqs_disabled(), // 检查中断是否关闭
		 "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))
		local_irq_disable(); // 没关闭就关闭中断
	idr_init_cache(); // IDR 初始化，IDR 是 Linux 内核的整数管理机制，也就是将一个整数 ID 与一个指针关联起来
	rcu_init(); //  初始化 RCU，RCU 全称为 Read Copy Update(读-拷贝修改

	/* trace_printk() and trace points may be used after this */
	trace_init(); // 跟踪调试相关初始化

	context_tracking_init(); // 
	radix_tree_init(); //  基数树相关数据结构初始化
	/* init some links before init_ISA_irqs() */
	early_irq_init(); // 初始中断相关初始化,主要是注册 irq_desc 结构体变量，因为 Linux 内核使用 irq_desc 来描述一个中断。
	init_IRQ(); // 中断初始化
	tick_init(); //  tick 初始化
	rcu_init_nohz(); // 
	init_timers(); // 初始化定时器
	hrtimers_init(); // 初始化高精度定时器
	softirq_init(); // 初始化软中端
	timekeeping_init(); // 
	time_init(); // 初始化系统时间
	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(); // 使能中断

	kmem_cache_init_late(); // slab 初始化，slab 是 Linux 内存分配器

	/*
	 * 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(); //  /* 初始化控制台，之前 printk 打印的信息都存放
 						* 缓冲区中，并没有打印出来。只有调用此函数
 						* 初始化控制台以后才能在控制台上打印信息。
						*/
	if (panic_later)
		panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
		      panic_param); // 

	lockdep_info(); //  如果定义了宏 CONFIG_LOCKDEP，那么此函数打印一些信息。

	/*
	 * 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(); // 锁自测

#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 (0x%08lx < 0x%08lx) - disabling it.\n",
		    page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),
		    min_low_pfn);
		initrd_start = 0;
	}
#endif
	page_ext_init(); // 
	debug_objects_mem_init(); // 
	kmemleak_init(); //  kmemleak 初始化，kmemleak 用于检查内存泄漏
	setup_per_cpu_pageset(); // 
	numa_policy_init(); // 
	if (late_time_init)
		late_time_init(); // 
	sched_clock_init(); // 
	calibrate_delay(); // 测定 BogoMIPS 值，可以通过 BogoMIPS 来判断 CPU 的性能 BogoMIPS 设置越大，说明 CPU 性能越好。
	pidmap_init(); // PID 位图初始化
	anon_vma_init(); // 生成 anon_vma slab 缓存
	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(); // 为对象的每个用于赋予资格(凭证）
	fork_init(); // 初始化一些结构体以使用 fork 函数
	proc_caches_init(); // 给各种资源管理结构分配缓存
	buffer_init(); //  初始化缓冲缓存
	key_init(); // 初始化秘钥
	security_init(); // 安全相关初始化
	dbg_late_init(); // 
	vfs_caches_init(totalram_pages); // 为 VFS 创建缓存
	signals_init(); // 初始化信号
	/* rootfs populating might need page-writeback */
	page_writeback_init(); // 页回写初始化
	proc_root_init(); // 注册并挂载proc文件系统
	nsfs_init(); // 
	cpuset_init(); //  初始化 cpuset，cpuset 是将 CPU 和内存资源以逻辑性和层次性集成的一种机制，是 cgroup 使用的子系统之一
	cgroup_init(); // 初始化 cgroup
	taskstats_init_early(); // 进程状态初始化
	delayacct_init(); // 

	check_bugs(); //  检查写缓冲一致性

	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(); // 
}

函数的最后调用了reset_init

2.4 reset_init函数

这个函数里面介绍了面试常问的PID 0 1 2进程（到现在还只是不太明白）

static noinline void __init_refok rest_init(void)
{
	int pid;

	rcu_scheduler_starting(); //启动RCU锁调度器
	smpboot_thread_init();
	/*
	 * 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.
	 */
// 	调用函数 kernel_thread 创建 kernel_init 进程，也就是大名鼎鼎的 init 内核进程。
// init 进程的 PID 为 1。init 进程一开始是内核进程(也就是运行在内核态)，后面 init 进程会在根
// 文件系统中查找名为“init”这个程序，这个“init”程序处于用户态，通过运行这个“init”程
// 序，init 进程就会实现从内核态到用户态的转变。
	kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
	numa_default_policy();
// 	调用函数 kernel_thread 创建 kthreadd 内核进程，此内核进程的 PID 为 2。kthreadd
// 进程负责所有内核进程的调度和管理
	pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);

	rcu_read_lock();
	kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
	rcu_read_unlock();
	complete(&kthreadd_done);

	/*
	 * The boot idle thread must execute schedule()
	 * at least once to get things moving:
	 */
	init_idle_bootup_task(current);
	schedule_preempt_disabled();
	/* Call into cpu_idle with preempt disabled */
// 	调用函数 cpu_startup_entry 来进入 idle 进程，cpu_startup_entry 会调用
// cpu_idle_loop，cpu_idle_loop 是个 while 循环，也就是 idle 进程代码。idle 进程的 PID 为 0，idle
// 进程叫做空闲进程，如果学过 FreeRTOS 或者 UCOS 的话应该听说过空闲任务。idle 空闲进程
// 就和空闲任务一样，当 CPU 没有事情做的时候就在 idle 空闲进程里面“瞎逛游”，反正就是给
// CPU 找点事做。当其他进程要工作的时候就会抢占 idle 进程，从而夺取 CPU 使用权。其实大
// 家应该可以看到 idle 进程并没有使用 kernel_thread 或者 fork 函数来创建，因为它是有主进程演
// 变而来的， idle 进程是内核进程
	cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
}

2.5 init进程

static int __ref kernel_init(void *unused)
{
	int ret;

	kernel_init_freeable(); /* init 进程的一些其他初始化工作 */
	/* need to finish all async __init code before freeing the memory */
	async_synchronize_full();/* 等待所有的异步调用执行完成 */
	free_initmem();/* 释放 init 段内存 */
	mark_rodata_ro();
	system_state = SYSTEM_RUNNING;/* 标记系统正在运行 */
	numa_default_policy();

	flush_delayed_fput();

// 	ramdisk_execute_command 是一个全局的 char 指针变量，此变量值为“/init”，
// 也就是根目录下的 init 程序。ramdisk_execute_command 也可以通过 uboot 传递，在 bootargs 中
// 使用“rdinit=xxx”即可，xxx 为具体的 init 程序名字
	if (ramdisk_execute_command) {
		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.
	 */
// 	如果 ramdisk_execute_command 为空的话就看 execute_command 是否为空，反
// 正不管如何一定要在根文件系统中找到一个可运行的 init 程序。execute_command 的值是通过
// uboot 传递，在 bootargs 中使用“init=xxxx”就可以了，比如“init=/linuxrc”表示根文件系统中
// 的 linuxrc 就是要执行的用户空间 init 程序
	if (execute_command) {
		ret = run_init_process(execute_command);
		if (!ret)
			return 0;
		panic("Requested init %s failed (error %d).",
		      execute_command, ret);
	}
// 	如果 ramdisk_execute_command 和 execute_command 都为空，那么就依次
// 查找“/sbin/init”、“/etc/init”、“/bin/init”和“/bin/sh”，这四个相当于备用 init 程序，如果这四
// 个也不存在，那么 Linux 启动失败！
// 如果以上步骤都没有找到用户空间的 init 程序，那么就提示错误发生
	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.");
}

简单看一下 kernel_init_freeable 函数，前面说了，kernel_init 会调用此函数来做一些init 进程初始化工作。kernel_init_freeable 定义在文件 init/main.c 中，缩减后的函数内容如下:

static noinline void __init kernel_init_freeable(void)
{
	/*
	 * Wait until kthreadd is all set-up.
	 */
	wait_for_completion(&kthreadd_done);/* 等待 kthreadd 进程准备就绪 */

	/* Now the scheduler is fully set up and can do blocking allocations */
	gfp_allowed_mask = __GFP_BITS_MASK;

	/*
	 * init can allocate pages on any node
	 */
	set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);
	/*
	 * init can run on any cpu.
	 */
	set_cpus_allowed_ptr(current, cpu_all_mask);

	cad_pid = task_pid(current);

	smp_prepare_cpus(setup_max_cpus);

	do_pre_smp_initcalls();
	lockup_detector_init();

	smp_init();/* SMP 初始化 */
	sched_init_smp();/* 多核(SMP)调度初始化 */

	do_basic_setup();/* 设备初始化都在此函数中完成 */
	//do_basic_setup 会调用 driver_init 函数完成 Linux 下驱动模型子系统的初始化

	/* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */
// 	打开设备“/dev/console”，在 Linux 中一切皆为文件！因此“/dev/console”也
// 是一个文件，此文件为控制台设备。每个文件都有一个文件描述符，此处打开的“/dev/console”
// 文件描述符为 0，作为标准输入(0)
	if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)
		pr_err("Warning: unable to open an initial console.\n");

// 	sys_dup 函数将标准输入(0)的文件描述符复制了 2 次，一个作为标准
// 输出(1)，一个作为标准错误(2)。这样标准输入、输出、错误都是/dev/console 了。console 通过
// uboot 的 bootargs 环境变量设置，“console=ttymxc0,115200”表示将/dev/ttymxc0 设置为 console，
// 也就是 I.MX6U 的串口 1。当然，也可以设置其他的设备为 console，比如虚拟控制台 tty1，设
// 置 tty1 为 console 就可以在 LCD 屏幕上看到系统的提示信息
	(void) sys_dup(0);
	(void) sys_dup(0);
	/*
	 * check if there is an early userspace init.  If yes, let it do all
	 * the work
	 */

	if (!ramdisk_execute_command)
		ramdisk_execute_command = "/init";

	if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {
		ramdisk_execute_command = NULL;
// 		调用函数 prepare_namespace 来挂载根文件系统。跟文件系统也是由命令行参
// 数指定的，也就是 uboot 的 bootargs 环境变量。比如“root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw”就表示
// 根文件系统在/dev/mmcblk1p2 中，也就是 EMMC 的分区 2 中
		prepare_namespace();
	}

	/*
	 * Ok, we have completed the initial bootup, and
	 * we're essentially up and running. Get rid of the
	 * initmem segments and start the user-mode stuff..
	 *
	 * rootfs is available now, try loading the public keys
	 * and default modules
	 */

	integrity_load_keys();
	load_default_modules();
}