探索 Linux 内核启动过程

目录

    • 1. Linux 内核启动过程概述
    • 2. start_kernel (内核初始化)
    • 3. rest_init
    • 4. kernel_init
    • 5. kthreadd
    • 总结

1. Linux 内核启动过程概述

在 Linux (2.6.39.4)系统的启动过程中,内核扮演了至关重要的角色。它负责从系统启动开始,初始化硬件、管理内存、加载文件系统,直到最终将控制权交给用户空间的第一个进程。本文将详细介绍 Linux 内核的启动过程,重点解析 rest_init, kernel_init 和 kthreadd 函数的作用,并概述内核初始化的调用关系。

在 Linux 系统启动时,内核的初始化过程分为多个阶段。以下是启动过程的主要步骤:

  • 引导加载(BootLoader):引导加载程序(如 GRUB)将内核镜像加载到内存中,并将控制权转交给内核。
  • 内核初始化(kernel_start):内核开始执行其初始化代码,包括硬件和内存的设置。
  • 启动内核线程(kthreadd):内核启动必要的内核线程和服务。
  • 启动用户空间进程(kernel_init):最终,内核启动第一个用户空间进程 init(/sbin/init 或者其他)。

2. start_kernel (内核初始化)

start_kernel 函数

  • start_kernel 函数是 Linux 内核初始化的关键部分。它负责设置和初始化内核在完全运行之前的必要子系统和基础设施。主要步骤包括:

    • 早期初始化:初始化锁机制(lockdep_init)、栈保护(boot_init_stack_canary),并禁用中断(local_irq_disable)。

    • 系统设置:执行 CPU 相关的设置(smp_setup_processor_id、boot_cpu_init)、内存管理初始化(page_address_init、page_alloc_init),并解析命令行(setup_command_line、parse_args)。

    • 内核基础设施:设置调度器(sched_init)、中断处理(init_IRQ)和调试功能(console_init、lockdep_info)。

    • 内存和资源管理:初始化内存管理和资源管理子系统,包括 kmem_cache_init_late、page_cgroup_init 和 vfs_caches_init。

    • 最终步骤:使用 rest_init 函数完成初始化,启动内核的主要进程。

start_kernel 和 init_task 的联系

  • start_kernel 函数:
    • start_kernel 是内核初始化过程的核心函数之一。它负责启动内核的各种子系统,创建和初始化系统线程(包括 kernel_init, kthreadd),设置 CPU 和内存管理等。
  • init_task 结构体:
    • init_task 是一个定义在内核中的特殊 task_struct 结构体实例。它代表了系统启动时的初始进程(PID 0),通常被称为 init 进程或 swapper 进程。
      init_task 被定义为 INIT_TASK(init_task),它是内核初始化过程中第一个创建的进程(线程),并且作为系统中的根进程存在。init_task 结构体在内核启动时设置好,然后由 start_kernel 进行初始化。

init_task 和 kernel_init的联系

  • init_task:
    • 这是内核中的第一个进程结构体,具有 PID 0。
    • init_task 不是一个真正运行的进程,而是内核为系统初始化和调度而创建的特殊结构体。它作为所有进程的基类,包含了最初的进程上下文。
  • kernel_init:
    • kernel_init 是内核中实际运行的进程,其 PID 通常是 1。
    • kernel_init 是内核启动过程中的关键进程,它负责进一步初始化系统、启动其他内核线程和最终启动用户空间的 init 进程。
  • 简而言之,init_task 是内核初始化时的基础结构体,而 kernel_init 是内核启动后的第一个实际运行的进程。

start_kernel 部分code

asmlinkage void __init start_kernel(void)
{//......mm_init_owner(&init_mm, &init_task);mm_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();time_init();/** 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();/* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */rest_init();
}

3. rest_init

rest_init 函数是 Linux 内核启动过程中重要的一部分,用于完成内核初始化的最后步骤。它主要负责启动第一个用户空间进程 init(PID 1) 和内核线程 kthreadd,并设置初始的空闲任务。

rest_init code

static noinline void __init_refok rest_init(void)
{int pid;rcu_scheduler_starting();/** 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.*/kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);numa_default_policy();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);preempt_enable_no_resched();schedule(); //启动调度preempt_disable();/* Call into cpu_idle with preempt disabled */cpu_idle(); //进入空闲状态
}

4. kernel_init

kernel_init 函数通过这些步骤确保系统的基本初始化和配置,接下来系统将进入用户空间并继续启动其他进程
rest_init code

static int __init kernel_init(void * unused)
{/** Wait until kthreadd is all set-up.*/wait_for_completion(&kthreadd_done); //等待 kthreadd 线程初始化完成/** init can allocate pages on any node*/set_mems_allowed(node_states[N_HIGH_MEMORY]); //设置内存允许的节点/** init can run on any cpu.*/set_cpus_allowed_ptr(current, cpu_all_mask); //设置 CPU 允许的掩码cad_pid = task_pid(current); //获取进程 IDsmp_prepare_cpus(setup_max_cpus);do_pre_smp_initcalls();lockup_detector_init();smp_init(); //进行 SMP 初始化sched_init_smp(); //初始化调度器do_basic_setup(); //执行基础系统设置,如初始化文件系统等/* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\n");(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;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..*/init_post(); //完成初始化并开始用户空间进程return 0;
}

init_post code
init_post 确保在系统启动过程中能够找到并执行一个有效的初始用户空间进程,确保系统能够正常启动和运行。

static noinline int init_post(void)
{/* need to finish all async __init code before freeing the memory */async_synchronize_full();free_initmem();mark_rodata_ro();system_state = SYSTEM_RUNNING;numa_default_policy();current->signal->flags |= SIGNAL_UNKILLABLE;if (ramdisk_execute_command) {run_init_process(ramdisk_execute_command);printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s\n",ramdisk_execute_command);}/** 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.*/if (execute_command) {run_init_process(execute_command);printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s.  Attempting ""defaults...\n", execute_command);}run_init_process("/sbin/init");run_init_process("/etc/init");run_init_process("/bin/init");run_init_process("/bin/sh");panic("No init found.  Try passing init= option to kernel. ""See Linux Documentation/init.txt for guidance.");
}

5. kthreadd

kthreadd 函数负责管理内核线程。以下是它的关键部分:

  • 初始化上下文:
    • set_task_comm(tsk, “kthreadd”); 设置线程名称为 “kthreadd”。
    • ignore_signals(tsk); 使线程忽略信号。
    • set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpu_all_mask); 允许线程在所有 CPU 上运行。
    • set_mems_allowed(node_states[N_HIGH_MEMORY]); 设置内存分配约束。
  • 设置标志:
    • current->flags |= PF_NOFREEZE | PF_FREEZER_NOSIG; 防止线程被冻结或接收冻结信号。
  • 主循环:
    • 线程不断检查 kthread_create_list 列表。当列表为空时,线程会休眠(set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); schedule();),当有新的线程需要创建时会唤醒。
    • 使用 spin_lock 来保护列表,在遍历和创建新线程时确保线程安全。
  • 线程创建:
    • create_kthread(create); 从 kthread_create_info 结构中创建新的内核线程。
      kthreadd 函数确保内核线程的创建和管理正确进行,同时维护线程安全和调度。

kthreadd code

int kthreadd(void *unused)
{struct task_struct *tsk = current;/* Setup a clean context for our children to inherit. */set_task_comm(tsk, "kthreadd");ignore_signals(tsk);set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpu_all_mask);set_mems_allowed(node_states[N_HIGH_MEMORY]);current->flags |= PF_NOFREEZE | PF_FREEZER_NOSIG;for (;;) {set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);if (list_empty(&kthread_create_list))schedule();__set_current_state(TASK_RUNNING);spin_lock(&kthread_create_lock);while (!list_empty(&kthread_create_list)) {struct kthread_create_info *create;create = list_entry(kthread_create_list.next,struct kthread_create_info, list);list_del_init(&create->list);spin_unlock(&kthread_create_lock);create_kthread(create);spin_lock(&kthread_create_lock);}spin_unlock(&kthread_create_lock);}return 0;
}

总结

Linux 内核的启动过程是一个系统化的流程,各个函数和机制通过精确的调用关系确保系统的正常启动。start_kernel 函数为启动过程奠定基础,init_task(pid = 0) 代表了系统的第一个进程。在rest_init 函数创建 kernel_init (启动用户空间进程 init, pid = 1)和 kthreadd 进程,kthreadd 是内核线程管理的起点。通过理解这些关键函数及其相互关系,可以更深入地掌握 Linux 内核的启动机制,并为系统的稳定运行提供支持。

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/bicheng/52849.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

stm32智能颜色送餐小车(ESP8266WIFI模块、APP制作、物联网模型建立、MQTTFX)

大家好啊&#xff0c;我是情谊&#xff0c;今天我们来介绍一下我最近设计的stm32产品&#xff0c;我们在今年七月份的时候参加了光电设计大赛&#xff0c;我们小队使用的就是stm32的智能送餐小车&#xff0c;虽然止步于省赛&#xff0c;但是还是一次成长的经验吧&#xff0c;那…

Byte Pair Encoding(BPE)算法原理以及其python实现

Byte Pair Encoding(BPE)是一种基于统计的压缩算法,最初由Gage于1994年在“A New Algorithm for Data Compression”一文中提出。尽管其初衷是用于数据压缩,但随着自然语言处理(NLP)的发展,BPE被广泛应用于词汇表构建和分词任务中,尤其是在处理形态丰富的语言时表现尤为…

【PostgreSQL教程】PostgreSQL 高级篇之 视图

博主介绍:✌全网粉丝20W+,CSDN博客专家、Java领域优质创作者,掘金/华为云/阿里云/InfoQ等平台优质作者、专注于Java技术领域✌ 技术范围:SpringBoot、SpringCloud、Vue、SSM、HTML、Nodejs、Python、MySQL、PostgreSQL、大数据、物联网、机器学习等设计与开发。 感兴趣的可…

MySQL基本查询语言

基本查询语言的结构 最简单的查询语句&#xff1a; select...from.... 一个完整的普通查询语句结构如下&#xff1a; select [distinct].....from....[where....][group by .....][having.....][order by.....][limit.....] 查询语句的执行顺序 1. 先执行from子句:基于表进行…

如何结束monkey运行

引言 在 Android 开发过程中&#xff0c;monkey 测试是一种常用的随机测试手段&#xff0c;用于模拟用户的各种操作来发现应用中的稳定性问题。然而&#xff0c;在某些情况下&#xff0c;您可能需要提前结束正在进行的 monkey 测试&#xff0c;比如当您发现了一些重要的问题需…

java在项目中实现excel导入导出

一、初识EasyExcel* 1. Apache POI 先说POI&#xff0c;有过报表导入导出经验的同学&#xff0c;应该听过或者使用。 Apache POI是Apache软件基金会的开源函式库&#xff0c;提供跨平台的Java API实现Microsoft Office格式档案读写。但是存在如下一些问题&#xff1a; 1.1 …

SpringBoot 项目——抽奖系统

本项目主要实现的功能是&#xff1a;主要服务于管理员用户&#xff0c;其可圈选奖品&#xff0c;人员来创建抽奖活动&#xff0c;并进行在线抽奖&#xff0c;并可通过短信或邮件的方式通知中奖者&#xff0c;同时普通用户可查看已结束的抽奖活动的中奖结果&#xff1b; 一、项…

TESSY创建单元测试或集成测试工程

我们以tessy5.1 IDE为例&#xff0c;给大家展示工程的创建过程。 1、打开TESSY5.1软件后&#xff0c;会弹出&#xff1a; 2、点击NEW Project后&#xff0c;会弹出&#xff1a; 3、接下来&#xff0c;就可以打开刚创建的工程&#xff1a; 4、进入到TESSY的主界面后&#xff0c…

Python办公自动化 获取文本数据 支持多种类型文件

学好办公自动化,走遍天下都不怕&#xff01;&#xff01; 前面我们已经学习了&#xff0c;如何用python的下载安装以及入门基础知识&#xff0c;并且也知道如何使用python自动处理Excel文件数据、如何批量生成Word文件、如何对数据分析后生成洞察报告、如何用python实现自动发送…

React中实现antd自定义图标,鼠标悬浮变色

借助 antd 的 tooltip 组件来实现 hover 时变色的效果 1.新建组件 自定义图标一般在iconfont上面获取&#xff0c;复制下来的svg代码&#xff0c;切记要删除 fill 属性后添加到组件中 import { Tooltip } from "antd"; import React from "react";const …

一种后缀数组的奇妙运用

最近参加了thucamp&#xff0c;其中day5的E题是一个有难度的字符串。 大部分人都是用后缀自动机做&#xff0c;我也是这样感觉的&#xff0c;不过想了好一会儿也没有很清晰的思路&#xff0c;但是突然想到了一个用后缀数组建树的方法&#xff0c;我2h码了7kb的代码&#xff0c…

webpack4手动搭建Vue项目

小满视频 很多解释使用通义灵码搜的,通义灵码的搜索结果也是有错误的全程使用pnpm包管理工具&#xff0c;和npm的用法基本一样 学习总结 1. 多看看webpack官网 2. webpack的作用&#xff1a;配置一堆东西&#xff0c;达到运行程序的目的 3. 无论什么东西都转成js&#xff0c;…

理解数据库系统的内部结构

数据库系统在我们的数字世界中扮演着关键角色。本文将介绍数据库系统的内部结构&#xff0c;帮助初学者了解其基本概念。 数据库系统的三级模式 数据库系统内部采用三级模式二级映像结构&#xff0c;包括外模式、模式和内模式。这种结构确保了数据的逻辑独立性和物理独立性。…

51-java jpa和mybatis的区别

‌JPA和MyBatis是两种不同的持久层框架&#xff0c;它们在设计和使用上有显著的区别。‌ ‌JPA&#xff08;Java Persistence API&#xff09;‌ 是一个ORM&#xff08;对象关系映射&#xff09;框架&#xff0c;它是Java EE的一部分&#xff0c;旨在通过注解或XML配置来定义实…

CHAMELEON算法原理及Python实践

CHAMELEON&#xff08;变色龙&#xff09;算法是一种两阶段的层次聚类算法&#xff0c;其原理和特点可以归纳如下&#xff1a; 一、算法概述 CHAMELEON算法通过动态建模的方式&#xff0c;结合了数据的初始划分&#xff08;通过图划分算法&#xff09;和一种新颖的层次聚类方…

如何在Android项目中进行性能优化分析?

引言 在开发过程中&#xff0c;性能优化是一个重要的话题。用户对于应用的性能有着非常高的期望&#xff1a;快速启动、流畅的操作体验、低内存消耗等。那么&#xff0c;作为开发者&#xff0c;我们如何才能在项目中进行性能优化分析呢&#xff1f;今天就来和大家聊聊这个话题…

Linux常见基础命令

Linux基础 初级学习阶段需要了解的知识一、Linux基础命令查阅命令帮助信息1.man2.help Linux命令的基本实用目录操作文件内容操作查看某文件下的用户操作日志压缩和解压缩sudo用户权限操作用户权限操作TOP文件安装 上一篇 VMware安装linux环境 初级学习阶段需要了解的知识 1.…

什么是 AWS CloudWatch?

AWS CloudWatch 是 AWS 提供的一项全面的监控和可观测性服务&#xff0c;使用户能够收集和可视化指标、日志和事件&#xff1b;设置警报&#xff1b;并根据预定义的条件自动执行操作。CloudWatch 提供对 AWS 资源和应用程序的运行状况、性能和运行状态的深入了解&#xff0c;使…

autoware整体架构的分析

autoware framework sensinglidar driver&#xff08;lidar驱动&#xff09;PointCloud Preprocessing&#xff08;点云预处理&#xff09;Detection&#xff08;检测&#xff09;GNSS (全球导航卫星系统)IMU (惯性测量单元) Localization&#xff08;定位&#xff09;Pose Ini…

8.28安装linux服务器注意事项和一些命令

一、解析域名配置 vi /etc/named.conf 配置相关的域名 systemctl start named //开启named服务 二、防火墙查找端口号列表 firewall-cmd --list -ports; 开启端口号 firewall-cmd --add-port端口号/tcp 重载防火墙 firewall-cmd --reload