关于linux的一点好奇心（一）：linux启动过程

　　一直很好奇，操作系统是如何工作的？我们知道平时编程，是如何让代码跑起来的，但那些都是比较高层次的东西。越往后，你会越觉得，像是空中楼阁，或者说只是有人帮你铺平了许多道理，而你却对此一无所知。

 

1. 操作系统的困惑

　　当然了，也不是真的一无所知。因为有很多的操作系统方面的书籍，教你了解操作系统是如何如何工作的，它的各种原理。但总有一种任督二脉不通的感觉。好像说的都知道一点，但好像又不知道这具体是什么，在哪里用，和为什么了。

　　我曾经看过一系列关于一个如何自制操作系统的文章，非常棒。https://wiki.0xffffff.org/  里面完全展示了一个求知者的过程，硬件加载，软件接管，操作系统，内存，中断，驱动，线程等等方面的知识。可以说，是一个用于解惑，不可多得的文章了。应该说，很多关于操作系统的困惑，在这里找到答案，当然你也得自己总结下。

　　但是，我还是会有那么一种感觉，原理看得再多，还是很空虚的。上面那个demo虽然把所有的东西都讲了一遍，好像已经把所有问题都讲了，但还毕竟只是demo。也许实际情况并非如此呢？至少不会那么简单。这着实困扰着自己跳动的心。

　　再后来，遇到了一篇讲关于epoll的文章: https://bbs.gameres.com/thread_842984_1_1.html  。 经过这篇文章的讲解，可以说把整个io的原理讲得非常之透彻了。而我本人的确也从这里出发，给团队内部做了一次分享。不知道他们感觉怎么样，反正我是感觉挺通透的。这关于io东西，可以说是操作系统中的一个小点。但我个人觉得，框架也许只需要你了解一次就好，但小点却是需要反复琢磨的。我们需要带着问题去找答案，这个问题往往是关于小点的多。

 

2. 敢不敢啃一啃操作系统的硬骨头？

　　说实话，我是不敢的。原因是，它太复杂，太宏大，这是比较大方向的困难。其次是，我单就语言这一关，可能就难以过去，因为你至少汇编、C之类的语言要足够好才行，而自己却只算是皮毛。正所谓一生清贫怎敢入繁华,两袖清风怎敢误佳人。

　　难道就这样得过且过么？但心里总是有一些疑问，不知道怎么去解决。一是问不了许多人，二是自己也不知道咋问，三是即使别人告诉了你你就能懂吗？（就像教书一样）

　　所以，还是自己找答案吧。其实网上有太多零零散散的答案，好像都能看懂，但又好像都不是很明白。

　　最好的文档，都在官方资料里。最好的答案，都在代码里。所以，去看看又何妨。

 

3. linux内核源码地址

　　也许大家一般都是在github上去看这些源码。但在国内，github的速度实在是不敢恭维。

　　gitee地址: https://gitee.com/mirrors/linux

　　github地址: https://github.com/torvalds/linux

　　至于阅读工具嘛，纯粹打酱油的，使用 sublime 之类的就可以了，如果想更好一点，就eclipse也行，当然可能还要设置其他好些环境问题。

 

4. linux框架结构

　　关于阅读技巧，可参考文章：https://www.cnblogs.com/fanzhidongyzby/archive/2013/03/20/2970624.html

　　整体目录结构如下：

　　细节简略描述如下：

　　　　arch——与体系结构相关的代码。 对应于每个支持的体系结构，有一个相应的目录如x86、 arm、alpha等。每个体系结构子目录下包含几个主要的子目录： kernel、mm、lib。
　　　　Documentation——内核方面的相关文档。
　　　　drivers——设备驱动代码。每类设备有相应的子目录，如char、 block、net等 fs 文件系统代码。每个支持文件系统有相应的子目录， 如ext2、proc等。
　　　　fs——文件系统实现。如fat, ext4...
　　　　include——内核头文件。 对每种支持的体系结构有相应的子目录，如asm-x86、 asm-arm、asm-alpha等。
　　　　init——内核初始化代码。提供main.c，包含start_kernel函数。
　　　　ipc——进程间通讯代码。
　　　　kernel——内核管理代码。
　　　　lib——与体系结构无关的内核库代码，特定体系结构的库代码保存在arch/*/lib目录下。
　　　　mm——内存管理代码。
　　　　net——内核的网络代码。
　　　　samples——一些使用功能接口的样例，有点类似于单元测试。
　　　　scripts——此目录包含了内核设置时用到的脚本。
　　　　security——安全相关的实现。
　　　　tools——一些附带工具类实现。

　　其中，Documentation目录可能是源码不相关的目录，但对我们理解系统却是非常重要的地方。（因为我们多半只能看得懂文字的表面意思）

 

5. linux-86启动过程

　　以x86的实现为例，其启动过程大致如下：以 header.S 开始，以main.c结束（我们自认为看得懂的地方）。

    /arch/x86/boot/header.S
        -> calll main    ->    /arch/x86/boot/main.c
        -> go_to_protected_mode()    ->    /arch/x86/boot/pmjump.S
        -> jmpl    *%eax    ->    /arch/x86/kernel/head_32.S
        -> .long i386_start_kernel    ->    /arch/x86/kernel/head32.c
        -> start_kernel()    ->    /init/main.c    (C语言入口)

　　细节代码样例如下：

// /arch/x86/boot/header.S
#include <asm/segment.h>
#include <asm/boot.h>
#include <asm/page_types.h>
#include <asm/setup.h>
#include <asm/bootparam.h>
#include "boot.h"
#include "voffset.h"
#include "zoffset.h"
...
6:

# Check signature at end of setup
    cmpl    $0x5a5aaa55, setup_sig
    jne    setup_bad

# Zero the bss
    movw    $__bss_start, %di
    movw    $_end+3, %cx
    xorl    %eax, %eax
    subw    %di, %cx
    shrw    $2, %cx
    rep; stosl

# Jump to C code (should not return)
    calll    main


// /arch/x86/boot/main.c
void main(void)
{
    /* First, copy the boot header into the "zeropage" */
    copy_boot_params();

    /* Initialize the early-boot console */
    console_init();
    if (cmdline_find_option_bool("debug"))
        puts("early console in setup code\n");

    /* End of heap check */
    init_heap();

    /* Make sure we have all the proper CPU support */
    if (validate_cpu()) {
        puts("Unable to boot - please use a kernel appropriate "
             "for your CPU.\n");
        die();
    }

    /* Tell the BIOS what CPU mode we intend to run in. */
    set_bios_mode();

    /* Detect memory layout */
    detect_memory();

    /* Set keyboard repeat rate (why?) and query the lock flags */
    keyboard_init();

    /* Query Intel SpeedStep (IST) information */
    query_ist();

    /* Query APM information */
#if defined(CONFIG_APM) || defined(CONFIG_APM_MODULE)
    query_apm_bios();
#endif

    /* Query EDD information */
#if defined(CONFIG_EDD) || defined(CONFIG_EDD_MODULE)
    query_edd();
#endif

    /* Set the video mode */
    set_video();

    /* Do the last things and invoke protected mode */
    go_to_protected_mode();
}


// /arch/x86/boot/pmjump.S
/*
 * The actual transition into protected mode
 */

#include <asm/boot.h>
#include <asm/processor-flags.h>
#include <asm/segment.h>
#include <linux/linkage.h>

    .text
    .code16
...
2:    .long    in_pm32            # offset
    .word    __BOOT_CS        # segment
ENDPROC(protected_mode_jump)

    .code32
    .section ".text32","ax"
GLOBAL(in_pm32)
    # Set up data segments for flat 32-bit mode
    movl    %ecx, %ds
    movl    %ecx, %es
    movl    %ecx, %fs
    movl    %ecx, %gs
    movl    %ecx, %ss
    # The 32-bit code sets up its own stack, but this way we do have
    # a valid stack if some debugging hack wants to use it.
    addl    %ebx, %esp

    # Set up TR to make Intel VT happy
    ltr    %di

    # Clear registers to allow for future extensions to the
    # 32-bit boot protocol
    xorl    %ecx, %ecx
    xorl    %edx, %edx
    xorl    %ebx, %ebx
    xorl    %ebp, %ebp
    xorl    %edi, %edi

    # Set up LDTR to make Intel VT happy
    lldt    %cx

    jmpl    *%eax            # Jump to the 32-bit entrypoint
ENDPROC(in_pm32)


// /arch/x86/kernel/head_32.S
.text
#include <linux/threads.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/linkage.h>
#include <asm/segment.h>
#include <asm/page_types.h>
#include <asm/pgtable_types.h>
#include <asm/cache.h>
#include <asm/thread_info.h>
#include <asm/asm-offsets.h>
#include <asm/setup.h>
#include <asm/processor-flags.h>
#include <asm/msr-index.h>
#include <asm/cpufeatures.h>
#include <asm/percpu.h>
#include <asm/nops.h>
#include <asm/bootparam.h>
#include <asm/export.h>
#include <asm/pgtable_32.h>
...
/*
 * 32-bit kernel entrypoint; only used by the boot CPU.  On entry,
 * %esi points to the real-mode code as a 32-bit pointer.
 * CS and DS must be 4 GB flat segments, but we don't depend on
 * any particular GDT layout, because we load our own as soon as we
 * can.
 */
__HEAD
ENTRY(startup_32)
...
hlt_loop:
    hlt
    jmp hlt_loop
ENDPROC(early_ignore_irq)

__INITDATA
    .align 4
GLOBAL(early_recursion_flag)
    .long 0

__REFDATA
    .align 4
ENTRY(initial_code)
    .long i386_start_kernel
ENTRY(setup_once_ref)
    .long setup_once
    
// /arch/x86/kernel/head32.c
#include <linux/init.h>
#include <linux/start_kernel.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/memblock.h>

#include <asm/desc.h>
#include <asm/setup.h>
#include <asm/sections.h>
#include <asm/e820/api.h>
#include <asm/page.h>
#include <asm/apic.h>
#include <asm/io_apic.h>
#include <asm/bios_ebda.h>
#include <asm/tlbflush.h>
#include <asm/bootparam_utils.h>
...
asmlinkage __visible void __init i386_start_kernel(void)
{
    /* Make sure IDT is set up before any exception happens */
    idt_setup_early_handler();

    cr4_init_shadow();

    sanitize_boot_params(&boot_params);

    x86_early_init_platform_quirks();

    /* Call the subarch specific early setup function */
    switch (boot_params.hdr.hardware_subarch) {
    case X86_SUBARCH_INTEL_MID:
        x86_intel_mid_early_setup();
        break;
    case X86_SUBARCH_CE4100:
        x86_ce4100_early_setup();
        break;
    default:
        i386_default_early_setup();
        break;
    }

    start_kernel();
}


// /init/main.c
#define DEBUG        /* Enable initcall_debug */

#include <linux/types.h>
#include <linux/extable.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/binfmts.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/syscalls.h>
#include <linux/stackprotector.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ioport.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/initrd.h>
#include <linux/bootmem.h>
#include <linux/acpi.h>
#include <linux/console.h>
#include <linux/nmi.h>
#include <linux/percpu.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#include <linux/kernel_stat.h>
#include <linux/start_kernel.h>
#include <linux/security.h>
#include <linux/smp.h>
#include <linux/profile.h>
#include <linux/rcupdate.h>
#include <linux/moduleparam.h>
#include <linux/kallsyms.h>
#include <linux/writeback.h>
#include <linux/cpu.h>
#include <linux/cpuset.h>
#include <linux/cgroup.h>
#include <linux/efi.h>
#include <linux/tick.h>
#include <linux/sched/isolation.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/taskstats_kern.h>
#include <linux/delayacct.h>
#include <linux/unistd.h>
#include <linux/utsname.h>
#include <linux/rmap.h>
#include <linux/mempolicy.h>
#include <linux/key.h>
#include <linux/buffer_head.h>
#include <linux/page_ext.h>
#include <linux/debug_locks.h>
#include <linux/debugobjects.h>
#include <linux/lockdep.h>
#include <linux/kmemleak.h>
#include <linux/pid_namespace.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/kthread.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/sched/init.h>
#include <linux/signal.h>
#include <linux/idr.h>
#include <linux/kgdb.h>
#include <linux/ftrace.h>
#include <linux/async.h>
#include <linux/sfi.h>
#include <linux/shmem_fs.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/perf_event.h>
#include <linux/ptrace.h>
#include <linux/pti.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/elevator.h>
#include <linux/sched_clock.h>
#include <linux/sched/task.h>
#include <linux/sched/task_stack.h>
#include <linux/context_tracking.h>
#include <linux/random.h>
#include <linux/list.h>
#include <linux/integrity.h>
#include <linux/proc_ns.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/cache.h>
#include <linux/rodata_test.h>
#include <linux/jump_label.h>
#include <linux/mem_encrypt.h>

#include <asm/io.h>
#include <asm/bugs.h>
#include <asm/setup.h>
#include <asm/sections.h>
#include <asm/cacheflush.h>
// 平台无关启动代码入口
asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
    char *command_line;
    char *after_dashes;

    set_task_stack_end_magic(&init_task);
    smp_setup_processor_id();
    debug_objects_early_init();

    cgroup_init_early();

    local_irq_disable();
    early_boot_irqs_disabled = true;

    /*
     * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
     * enable them.
     */
    boot_cpu_init();
    page_address_init();
    pr_notice("%s", linux_banner);
    setup_arch(&command_line);
    /*
     * Set up the the initial canary and entropy after arch
     * and after adding latent and command line entropy.
     */
    add_latent_entropy();
    add_device_randomness(command_line, strlen(command_line));
    boot_init_stack_canary();
    mm_init_cpumask(&init_mm);
    setup_command_line(command_line);
    setup_nr_cpu_ids();
    setup_per_cpu_areas();
    smp_prepare_boot_cpu();    /* arch-specific boot-cpu hooks */
    boot_cpu_hotplug_init();

    build_all_zonelists(NULL);
    page_alloc_init();

    pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line);
    parse_early_param();
    after_dashes = parse_args("Booting kernel",
                  static_command_line, __start___param,
                  __stop___param - __start___param,
                  -1, -1, NULL, &unknown_bootoption);
    if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
        parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,
               NULL, set_init_arg);

    jump_label_init();

    /*
     * These use large bootmem allocations and must precede
     * kmem_cache_init()
     */
    setup_log_buf(0);
    vfs_caches_init_early();
    sort_main_extable();
    trap_init();
    mm_init();

    ftrace_init();

    /* trace_printk can be enabled here */
    early_trace_init();

    /*
     * 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();
    /*
     * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
     * fragile until we cpu_idle() for the first time.
     */
    preempt_disable();
    if (WARN(!irqs_disabled(),
         "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))
        local_irq_disable();
    radix_tree_init();

    /*
     * Set up housekeeping before setting up workqueues to allow the unbound
     * workqueue to take non-housekeeping into account.
     */
    housekeeping_init();

    /*
     * Allow workqueue creation and work item queueing/cancelling
     * early.  Work item execution depends on kthreads and starts after
     * workqueue_init().
     */
    workqueue_init_early();

    rcu_init();

    /* Trace events are available after this */
    trace_init();

    if (initcall_debug)
        initcall_debug_enable();

    context_tracking_init();
    /* init some links before init_ISA_irqs() */
    early_irq_init();
    init_IRQ();
    tick_init();
    rcu_init_nohz();
    init_timers();
    hrtimers_init();
    softirq_init();
    timekeeping_init();
    time_init();
    sched_clock_postinit();
    printk_safe_init();
    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();

    /*
     * 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();
    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();

    /*
     * This needs to be called before any devices perform DMA
     * operations that might use the SWIOTLB bounce buffers. It will
     * mark the bounce buffers as decrypted so that their usage will
     * not cause "plain-text" data to be decrypted when accessed.
     */
    mem_encrypt_init();

#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();
    kmemleak_init();
    debug_objects_mem_init();
    setup_per_cpu_pageset();
    numa_policy_init();
    acpi_early_init();
    if (late_time_init)
        late_time_init();
    calibrate_delay();
    pid_idr_init();
    anon_vma_init();
#ifdef CONFIG_X86
    if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))
        efi_enter_virtual_mode();
#endif
    thread_stack_cache_init();
    cred_init();
    fork_init();
    proc_caches_init();
    uts_ns_init();
    buffer_init();
    key_init();
    security_init();
    dbg_late_init();
    vfs_caches_init();
    pagecache_init();
    signals_init();
    seq_file_init();
    proc_root_init();
    nsfs_init();
    cpuset_init();
    cgroup_init();
    taskstats_init_early();
    delayacct_init();

    check_bugs();

    acpi_subsystem_init();
    arch_post_acpi_subsys_init();
    sfi_init_late();

    if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {
        efi_free_boot_services();
    }

    /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
    rest_init();
}

　　本篇不做深入探讨，仅为梳理来龙去脉。其中深意还需各自领悟了。反正大致就是，上电启动后，进入BIOS，交权限转交特殊地址，然后转到系统启动处，加载对应平台汇编指令，做各种硬件设置，最后转到我们熟悉一点的C代码入口的过程。这个过程中，更多的是内存地址，寄存器之类的操作，可以说涉及到的东西相当广泛，所以我们不能要求太多可能也没有必要要求太多。

　　老铁，linux之旅愉快啊！