linux idle init进程,动静结合学内核：linux idle进程和init进程浅析

刘柳 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000 + titer1@qq.com

退休的贵族进程 0号进程

所有进程的祖先叫做进程0

在系统初始化阶段由start_kernel()函数从无到有手工创建的一个内核线程

进程0最后的初始化工作创建init内核线程，此后运行cpu_idle，成为idle进程控制权的接力棒从bios-->bootloader-->idle,某种程度上说，就是完成子系统初始化使命后，就退居二线了。

0号进程一直处于皇宫“内核态”，没有出过宫“到用户态”，所谓贵族终身。

0号进程的代码概要图

字画的臭(逃)，主要意思是0号进程是这样串行产生的：

start_kernel  -->rest_init --> cpu_idle_loop

进入idle loop的堆栈样本如下(堆栈调用图也可以从中画出来的)

(gdb) bt

#0 cpu_idle_loop () at kernel/sched/idle.c:201

#1 cpu_startup_entry (state=) at kernel/sched/idle.c:274

#2 0xc175d22d in rest_init () at init/main.c:418

#3 0xc1a4bb59 in start_kernel () at init/main.c:680

#4 0xc1a4b360 in i386_start_kernel () at arch/x86/kernel/head32.c:49

#5 0x00000000 in ?? ()

idle最核心的代码位置(前方高能，含有chinglish，蹩脚翻译，请大拿指点。只翻译部分主要的)

static void cpu_idle_loop(void)

{

while (1) {

/*如果本架构下面有标示轮询poll的bit位，我们会保持不变？？(理解：始终在这个循环里)

如果idle没有被调度，那么poll bit是被清空的

反过来说， 如果 设置了poll bit,那么need_resched将会保证cpu进行重新调度。

*/

__current_set_polling();

tick_nohz_idle_enter();

while (!need_resched()) {

check_pgt_cache();

rmb();

if (cpu_is_offline(smp_processor_id()))

arch_cpu_idle_dead();

local_irq_disable();

arch_cpu_idle_enter();

/*

在poll mode 中，我们会使能中断 和 自旋锁

同时 如果检测到唤醒(来自一些设备广播的)，

我们将努力避免进入深度睡眠，因为我们知道 IPI (???)即将马上来到

*/

if (cpu_idle_force_poll || tick_check_broadcast_expired())

cpu_idle_poll();

else

cpuidle_idle_call();

arch_cpu_idle_exit();

}

/*

* Since we fell out of the loop above, we know

* TIF_NEED_RESCHED must be set, propagate it into

* PREEMPT_NEED_RESCHED.

*

* This is required because for polling idle loops we will

* not have had an IPI to fold the state for us.

*/

preempt_set_need_resched();

tick_nohz_idle_exit();

__current_clr_polling();

/*

* We promise to call sched_ttwu_pending and reschedule

* if need_resched is set while polling is set. That

* means that clearing polling needs to be visible

* before doing these things.

*/

smp_mb__after_atomic();

sched_ttwu_pending();

schedule_preempt_disabled();

}

}

放 大杀器(o(^▽^)o，自大了吧)

，进入一个进入idle loop的现场追踪过程

(初步制作gif,没有提示大家什么时候开始/结束，下次功力深入后将重制)。

用户1号进程的前世今生

进程1又称为init进程，是所有用户进程的祖先

由进程0在start_kernel调用rest_init创建

init进程PID为1，当调度程序选择到init进程时，init进程开始执行kernel_init ()函数

init是个普通的用户态进程，它是Unix系统内核初始化与用户态初始化的接合点，它是所有用户进程的祖宗。在运行init以前是内核态初始化，该过程(内核初始化)的最后一个动作就是运行/sbin/init可执行文件

这段话是孟老师课件摘取，字字珠玑啊。

所谓祖先，就是所有用户态进程都从这个进程fork出来。

而init进程(pid=1)的产生也是第一个使用fork调用的函数。

其他注意区分的是用户控件的/sbin/init在我们实验中指的是menuos编译出来的init.

(pid!=1)

首先来看微缩的start_kernel函数代码(情景分析)：

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)

{

...

//初始化0号进程pcb

set_task_stack_end_magic(&init_task);

...

/* 当只有一个CPU的时候这个函数就什么都不做，

但是如果有多个CPU的时候那么它就

* 返回在启动的时候的那个CPU的号

*/

smp_setup_processor_id();

...

/* 关闭当前CPU的中断 */

local_irq_disable();

early_boot_irqs_disabled = true;

...

/* 初始化页地址，使用链表将其链接起来 */

page_address_init();

/* 显示内核的版本信息 */

pr_notice("%s", linux_banner);

/*

* 每种体系结构都有自己的setup_arch()函数，是体系结构相关的，具体编译哪个

* 体系结构的setup_arch()函数,由源码树顶层目录下的Makefile中的ARCH变量

* 决定

*/

setup_arch(&command_line);

...

/* 打印Linux启动命令行参数 */

pr_notice("Kernel command line: %sn", boot_command_line);

/* 对内核选项的两次解析 */

parse_early_param();

after_dashes = parse_args("Booting kernel",

static_command_line, __start___param,

__stop___param - __start___param,

-1, -1, &unknown_bootoption);

if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))

parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,

set_init_arg);

jump_label_init();

...

/* 初始化hash表，便于从进程的PID获得对应的进程描述符指针 */

pidhash_init();

/* 虚拟文件系统的初始化 */

vfs_caches_init_early();

sort_main_extable();

/*

* trap_init函数完成对系统保留中断向量(异常、非屏蔽中断以及系统调用)

* 的初始化，init_IRQ函数则完成其余中断向量的初始化

*/

trap_init();

mm_init();

/* 进程调度器初始化 */

sched_init();

preempt_disable();

/* 检查中断是否已经打开，如果已经打开，则关闭中断 */

if (WARN(!irqs_disabled(),

"Interrupts were enabled *very* early, fixing itn"))

local_irq_disable();

...

/* init some links before init_ISA_irqs() */

early_irq_init();

init_IRQ();

tick_init();

rcu_init_nohz();

init_timers();

/* 对高精度时钟进行初始化 */

hrtimers_init();

/* 初始化tasklet_softirq和hi_softirq */

softirq_init();

timekeeping_init();

/* 初始化系统时钟源 */

time_init();

sched_clock_postinit();

perf_event_init();

profile_init();

call_function_init();

WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled earlyn");

early_boot_irqs_disabled = false;

local_irq_enable();

/* slab初始化 */

kmem_cache_init_late();

/*

* 初始化控制台以显示printk的内容，在此之前调用的printk

* 只是把数据存到缓冲区里

*/

console_init();

if (panic_later)

panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,

panic_param);

lockdep_info();

...

/*

* CPU性能测试函数，可以计

算出CPU在1s内执行了多少次一个

* 极短的循环，计算出来的值经过处理后得

到BogoMIPS值(Bogo是Bogus的意思)，

*/

calibrate_delay();

pidmap_init();

...

/* 创建init进程 */

rest_init();//66 analysis 0 #, never return ...

}

下面这个演示过程，给出了在start_kernel到rest_init的跟踪过程，(其中每次qume打印出新的东西时候，我都是鼠标移动提示)，这样所见即所得的方式希望读者喜欢。

继续我们

的内核之旅，

以上是追踪

到 rest_init，

下面将从rest_init 到 kthread_init，

图中，直接在init进程的函数段(kernel_init)中开始，

(一些小插曲，本演示为了说明init进程最后变成了用户台进程，去查证了cs寄存器，不过source insight没有找到对应的bit,下次将会更新

用户常见的是从用户态(博文下一轮更新将会说明)从核心态，

这里init(pid=1)是从核心态变为用户态，一个比较核心的变化就是会把cs寄存器从核心段cs变为用户段cs

从数字上来说,cs值从96(0x60)变为115(0x73)

先看宏的解释：

#define __USER_CS(GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS*8+3) //用户段cs 计算出来14*8+3 =0x73

#define GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS14

#define __KERNEL_CS(GDT_ENTRY_KERNEL_CS*8)//核心段cs ：0x60

#define GDT_ENTRY_KERNEL_CS(GDT_ENTRY_KERNEL_BASE+0)

#define GDT_ENTRY_KERNEL_BASE(12)

再看切换的代码：为什么启动Init进程会涉及到start_thread,

仅从调用图来看，丑图再现(逃。。)

一言难尽，请看精彩的解释： 原文再现

这里直接定位到用户态切换的代码：

start_thread(struct pt_regs *regs, unsigned long new_ip, unsigned long new_sp)

{

set_user_gs(regs, 0);

regs->fs= 0;

regs->ds= __USER_DS;

regs->es= __USER_DS;

regs->ss= __USER_DS;

regs->cs= __USER_CS;

regs->ip= new_ip;

regs->sp= new_sp;

regs->flags= X86_EFLAGS_IF;

/*

* force it to the iret return path by making it look as if there was

* some work pending.

*/

set_thread_flag(TIF_NOTIFY_RESUME);

}

上面的内容，一句话，说明Init进程如何从核心态变成用户态的。

最后我们在动态图里面把相关过程串起来吧。

如果图看到，请点击这里：

点我，我是图

总结：

总体来说，这里是几乎各种子系统的诞生之地。这里牵一发，动全身。

如果你在不同版本内核

比较

start_kernel，就会发现很大差异。

idle进程，如标题所说，完成重要子系统初始化，就退居二线。

1号进程从0号进程fork出来，然后又切换到用户态，完成控制权从核心态到用户态的转换，

因此用户交互才能开始。

使命，决定了一生。

Linux进程如此，咋们的人生使命是？

码农陷入了思索。。。

附录：

题目自拟，内容围绕Linux内核的启动过程，即从start_kernel到init进程启动；

博客中需要使用实验截图

博客内容中需要仔细分析start_kernel函数的执行过程

总结部分需要阐明自己对“Linux系统启动过程”的理解，尤其是idle进程、1号进程是怎么来的。

参考：

http://book.51cto.com/art/201007/213598.htm