《Linux操作系统分析》之跟踪分析Linux内核的启动过程

本篇文章分析的是一个经过精简后的Linux系统MENUOS，通过对idle进程、1号进程的分析。来说明系统中进程的启动过程。

相关知识

首先关于这篇文章会介绍一些用到的知识。

一、什么是中断的上下文和进程的上下文。在这里大家很容易混淆这两个概念。先看下面这句话。

处理器总处于以下状态中的一种：
１、内核态，运行于进程上下文，内核代表进程运行于内核空间；
２、内核态，运行于中断上下文，内核代表硬件运行于内核空间；
３、用户态，运行于用户空间。

对于上面的话，我觉得可以理解为程序本身在执行的时候由于内陷指令、读数据或者其他的原因，导致进入到内核态，那么这时候保存的就是进程上下文。如果在内核态下由于硬件等的原因，导致的中断，保存的就是中断上下文，其中包含硬件的信息等。

这是另一个解释：陷入(或异常)到内核时,此时内核代表某个进程运行,一般要访问进程的数据结构,此时的上下文称进程上下文。中断时,内核不代表任何进程运行,一般不访问当前进程的数据结构,此时的上下文称中断上下文。

这里有兴趣的同学可以参考什么是进程上下文，什么是中断上下文。

而这两者的差别是进程上下文可以睡眠，阻塞，但是中断上下文不行。（请参考再思linux内核在中断路径内不能睡眠/调度的原因（2010）和关于中断上下文为什么不能睡眠？）

二、idle进程的相关知识简单的说idle是一个进程，其pid号为 0。其前身是系统创建的第一个进程，也是唯一一个没有通过fork()产生的进程。

这里用到的代码可以在一下地址知道：Latest Stable Kernel:linux-3.18.6

首先使用自己的Linux系统环境搭建MenuOS的过程：

# 下载内核源代码编译内核
cd ~/LinuxKernel/
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.18.6.tar.xz
xz -d linux-3.18.6.tar.xz
tar -xvf linux-3.18.6.tar
cd linux-3.18.6
make i386_defconfig
make # 一般要编译很长时间，少则20分钟多则数小时
 
# 制作根文件系统
cd ~/LinuxKernel/
mkdir rootfs
git clone https://github.com/mengning/menu.git  # 如果被墙，可以使用附件menu.zip 
cd menu
gcc -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static –lpthread
cd ../rootfs
cp ../menu/init ./
find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img
 
# 启动MenuOS系统
cd ~/LinuxKernel/
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

重新配置编译Linux使之携带调试信息
在原来配置的基础上，make menuconfig选中如下选项重新配置Linux，使之携带调试信息

kernel hacking—>
[*] compile the kernel with debug info

然后就可以进行下一步：
打开shell

cd LinuxKernel/
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

使用gdb跟踪调试内核

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

另开一个shell

gdb
（gdb）file linux-3.18.6/vmlinux # 在gdb界面中targe remote之前加载符号表
（gdb）target remote:1234 # 建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行
（gdb）break start_kernel # 断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后

通过设置断点来观察启动的过程。设置断点后输入c点enter，程序继续执行，到断点时停止。这时候可以输入list指令显示断点前后的代码。

然后继续执行，menuOS加载完成，系统现在提供有三个指令help、version、quit。

现在我们就可以用gdb的调试断点来帮助我们跟踪和调试系统了。

我们可以简单的来看一下：

在main.c中首先将各种变量进行初始化，这些变量一般是宏静态定义。

然后执行asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)这个函数，在其中的有一个set_task_stack_end_magic(&init_task);函数，这个函数中该结构体(init_task)在linux启动时被设置为current_task。（此时idle进程已经启动）

在 /linux-3.18.6/arch/x86/kernel/cpu/common.c中：

DEFINE_PER_CPU(struct task_struct *, current_task) ____cacheline_aligned = &init_task;

然后对其他的信息也进行初始化。接着进行到了rest_init();这个地方。

static noinline void __init_refok rest_init(void)
394{
395	int pid;
396
397	rcu_scheduler_starting();
398	/*
399	 * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however
400	 * the init task will end up wanting to create kthreads, which, if
401	 * we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.
402	 */
403	kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
404	numa_default_policy();
405	pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
406	rcu_read_lock();
407	kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
408	rcu_read_unlock();
409	complete(&kthreadd_done);
410
411	/*
412	 * The boot idle thread must execute schedule()
413	 * at least once to get things moving:
414	 */
415	init_idle_bootup_task(current);
416	schedule_preempt_disabled();
417	/* Call into cpu_idle with preempt disabled */
418	cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
419}

当初始化到rest_init函数中时调用kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);函数启动第一个内核线程kernel_init。由kernel_init再通过do_execve启动/sbin/init。这就是我们看到的init进程，进程号为1。初始化完成后linux调用scheule整个系统就运行起来了。

结论：

idle是一个进程，其pid为0。是Linux引导中创建的第一个进程，完成加载系统后，演变为进程调度、交换及存储管理进程。主处理器上的idle由原始进程(pid=0)演变而来。从处理器上的idle由init进程fork得到，但是它们的pid都为0。Idle进程为最低优先级，且不参与调度，只是在运行队列为空的时候才被调度。Idle循环等待need_resched置位。1号进程是init 进程，由0进程创建，完成系统的初始化. 是系统中所有其它用户进程的祖先进程

备注：

杨峻鹏 + 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