‌Linux 4.9.227 内核启动流程解析：kernel_init函数详解

背景

kernel_init 是 Linux 内核启动过程中从内核空间切换到用户空间的核心函数，负责完成内核初始化并启动用户空间的第一个进程（如 /sbin/init）。以下针对 ‌Linux 4.9.227‌ 版本，详细梳理其流程及实现逻辑

‌一、函数位置与调用关系

• ‌代码文件‌：init/main.c
• ‌调用路径‌：

start_kernel()          // 内核启动入口，初始化核心子系统
  → rest_init()         // 创建内核线程（PID=1的init进程）
    → kernel_thread()  // 创建内核线程执行kernel_init
      → kernel_init()  // 主初始化函数

‌二、kernel_init函数核心流程

1. 内核初始化收尾阶段‌

调用 kernel_init_freeable() 完成以下关键任务：

static int __ref kernel_init(void *unused) {
    int ret;
    // 1. 执行内核初始化收尾工作
    kernel_init_freeable();
    // ... 后续流程
}

kernel_init_freeable() 的核心任务‌（版本4.9.227）：

‌1.释放初始化内存‌：

free_initmem();        // 释放 __init 段代码和数据占用的内存

‌2.初始化设备驱动与子系统‌：

do_basic_setup();      // 包括驱动探测、文件系统注册、模块加载等

‌3.挂载根文件系统：

prepare_namespace();   // 解析内核参数（如root=），挂载根文件系统

4‌.激活多核CPU‌（SMP系统）：

smp_init();            // 启动非引导CPU核心

‌2. 确定用户空间init程序路径‌

通过解析内核参数或默认路径选择init程序：

static int __ref kernel_init(void *unused) {
    // ...
    // 2. 获取init程序路径（优先级：内核参数 > 默认路径）
    if (execute_command) {        // 通过内核参数"init="指定
        argv_init = execute_command;
    } else {
        argv_init = "/sbin/init"; // 默认尝试路径
    }
    // ...
}

‌3. 启动用户空间init进程‌

尝试执行init程序，若失败则尝试备用路径（如/bin/sh）：

static int __ref kernel_init(void *unused) {
    // ...
    // 3. 依次尝试执行init程序（短路逻辑）
    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;  // 任一成功则退出
    }
    // 所有路径均失败，触发内核恐慌（Kernel panic）
    panic("No working init found.");
}

try_to_run_init_process() 函数行为‌：

• 调用 do_execve() 加载并执行指定路径的程序。
• 成功时返回 true，失败返回 false。

 三、嵌入式系统的特殊考量（Linux 4.9）

1. 快速启动优化‌

• ‌裁剪冗余初始化‌：移除未使用的驱动（通过内核配置 CONFIG_EMBEDDED）。
• ‌Initramfs处理‌：
  • 若启用了 CONFIG_BLK_DEV_INITRD，内核会解压Initramfs并执行其中的 /init 脚本。
  • 嵌入式系统常用Initramfs加载临时根文件系统，再切换到真实根文件系统（如NAND Flash）。

‌2. 根文件系统挂载‌

• ‌内核参数配置‌：通过 root= 指定根文件系统设备（如 root=/dev/mmcblk0p2）。
• ‌只读根文件系统‌：挂载为只读后，通过用户空间脚本重新挂载为可写（节省资源）。

‌3. 调试技巧‌

• ‌启动参数‌：

• # 启用详细初始化日志
  bootargs="initcall_debug init=/bin/sh"
  

四、代码逻辑流程图（Linux 4.9.227） 

start_kernel()
  └→ rest_init()
      └→ kernel_thread(kernel_init)
          └→ kernel_init()
              ├→ kernel_init_freeable()
              │   ├─ do_basic_setup()     // 驱动、文件系统初始化
              │   ├─ free_initmem()       // 释放初始化内存
              │   ├─ smp_init()           // 激活多核CPU
              │   └─ prepare_namespace()  // 挂载根文件系统
              ├─ 解析init路径（内核参数或默认值）
              └─ 尝试执行init程序：
                  ├─ /sbin/init → 成功则启动用户空间
                  ├─ /etc/init  → 备用路径
                  ├─ /bin/init  → 非标准路径
                  └─ /bin/sh    → 应急Shell（若其他路径均失败）

 五、常见问题与解决

1. 根文件系统挂载失败‌

• ‌现象‌：内核卡在 VFS: Unable to mount root fs。
• ‌原因‌：
  • root= 参数指定的设备不存在。
  • 文件系统驱动未编译进内核（如缺少 CONFIG_EXT4_FS=y）。
• ‌解决‌：检查内核配置，确认根设备路径和驱动。

‌2. Init进程启动失败‌

• ‌现象‌：内核打印 No working init found 后崩溃。
• ‌原因‌：所有init路径均无效或权限不足。
• ‌解决‌：
  • 通过 init=/bin/sh 强制进入Shell，手动修复。
  • 检查文件系统权限（如 chmod +x /sbin/init）。

‌3. 多核启动问题‌

• ‌现象‌：SMP系统中部分CPU核心未激活。
• ‌原因‌：smp_init() 执行异常（如设备树配置错误）。
• ‌解决‌：检查设备树的CPU节点和内核配置（如 CONFIG_SMP）。

‌六、总结

kernel_init 是 Linux 内核从内核态切换到用户态的核心函数，其核心任务包括：

1. ‌完成内核初始化收尾‌（释放内存、挂载根文件系统）。
2. ‌启动用户空间第一个进程‌（如Systemd或自定义init程序）。
3. ‌处理异常情况‌（如启动应急Shell）。

在嵌入式Linux 4.9.227中，需特别关注启动优化、根文件系统挂载逻辑及调试手段，以确保系统快速稳定启动。此函数的行为直接决定了用户空间能否正常接管系统，是内核启动流程的最后一道关卡

CONFIG_EMBEDDED 的翻译与解析‌

1. ‌直译‌
   ‌CONFIG_EMBEDDED‌ 可译为 ‌“嵌入式系统配置选项”‌‌。

2. ‌功能释义‌

   • 该选项用于在内核编译时启用针对‌嵌入式系统‌的特定优化和裁剪功能‌。
   • 典型应用场景：
     • 移除非必要的驱动、模块和调试工具，缩小内核体积‌。
     • 禁用对复杂硬件（如PCIe、图形加速）的支持，降低资源占用‌。
     • 支持低功耗、快速启动等嵌入式场景需求‌。

3. ‌配置影响‌

   • 启用后，内核配置菜单会开放更多精简选项，允许开发者进一步定制功能‌。
   • 若未启用，默认内核配置可能包含冗余功能，不适合资源受限的嵌入式设备‌。

4. ‌使用建议‌

   • 在嵌入式Linux开发中，通常需要启用此选项以适配硬件资源限制‌。
   • 需结合具体需求（如存储空间、外设支持）选择子配置项‌。