分析Linux内核启动过程：从start_kernel到init

郑德伦原创作品转载请注明出处《Linux内核分析》MOOC课程
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STEP1：在自己的linux系统中搭建实验环境。
1.下载linux-3.18.6的内核源码，并且编译

 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

分析Linux内核启动过程：从start_kernel到init

2.制作根文件系统

  cd ~/LinuxKernel/
  mkdir rootfs
  git clone  https://github.com/mengning/menu.git
  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

3.启动MenuOS

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

然后就启动了MenuOS。
分析Linux内核启动过程：从start_kernel到init
STEP2：使用GDB调试内核跟踪启动过程。
在使用gdb跟踪调试内核之前需要先重新配置编译Linux使其携带调试信息。
由于make menuconfig需要ncurses-dev和tk4-dev库。
所以我们先输入命令sudo apt-get install ncurses-dev
和sudo apt-get install tk4-dev
然后输入make menuconfig进入Kernel Configuration界面
分析Linux内核启动过程：从start_kernel到init
选择Kernel hacking进入

选择Compile-time checks and compilr options —>进入

按Y选择Compile the kernel with debug info
然后执行make重新编译内核。
编译完成之后输入以下的命令，让CPU冻结在开始的时候。

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

然后打开GDB远程调试，另外开启一个终端
输入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

分析Linux内核启动过程：从start_kernel到init
在start_kernel设上断点然后
(gdb)c 继续执行到达断点处
输出(gdb)list显示出上下文

我们继续设置断点, break rest_init()
然后输入c执行到断点处
然后输入list显示出上下文。

STEP3：分析start_kernel的代码
内核几乎所有模块的初始化都会经过start_kernel来进行，

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
.......
/*init_task即手工创建的PCB，0号进程就是最终的idle进程*/
set_task_stack_end_magic(&init_task);
........
/*初始化中断向量*/
trap_init();
/*内存管理模块初始化*/
mm_init();
/*调度模块初始化*/
sched_init();
....
/*其他初始化*/
rest_init()
}

我们再来看下最后的rest_init()

/*rest_init()会一直存在，是0号进程，并且创建了1号进程，并创建了一些其他的服务进程*/
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.
     */
   /*初始化了第一个用户态的进程1号进程*/
    kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
    numa_default_policy();
   /*创建内核线程管理系统资源*/
    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 */
   /*执行cpu_idle_loop, cpu_idle_loop是一个while(1)循环，当系统没有任何需要执行的进程的时候就调度到idle进程*/
    cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
}

由此可见，rest_init()最后执行cpu_startup_entry();cpu_startup_entry会调用cpu_idle_loop(), 在cpu_idle_loop()里面有个while(1)的循环一直执行，作为idle进程，pid是0号，此进程会一直执行下去，并且在系统没有任何需要执行的进程时，调度到此进程。
Linux内核的启动在宏观上来看，就是start_kernel()来进行各种初始化工作，最终执行到rest_init()来初始化0号进程和1号用户态的进程。然后操作系统就运行起来了。

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