跟踪分析Linux内核的启动过程

start_kernel()

                    	asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
						{
							char *command_line;//命令行，用来存放bootloader传递过来的参数  
							char *after_dashes;

							/*
							 * Need to run as early as possible, to initialize the
							 * lockdep hash:
							 */
							lockdep_init();//初始化内核依赖关系表，初始化hash表,内核调试模块，用来检查内核互斥机制（尤其是自旋锁）潜在的死锁问题。
							set_task_stack_end_magic(&init_task);//初始化系统第一个task_struct结构体,手工创建的PCB，0号进程即最终的idle进程。
							smp_setup_processor_id();// 设置对称多处理模型的处理器id
							debug_objects_early_init();//初始化debug kernel相关

							/*
							 * Set up the the initial canary ASAP:
							 */
							boot_init_stack_canary();//为栈增加保护机制，预防一些缓冲区溢出之类的攻击

							cgroup_init_early();//Cgroup初始化，Cgroup是近代linux kernel出现的.它为进程和其后续的子进程提供了一种性能控制机制

							local_irq_disable();//关闭当前CPU的中断
							early_boot_irqs_disabled = true;

						/*
						 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
						 * enable them
						 */
							boot_cpu_init();//激活当前CPU
							page_address_init();//初始化高端内存的映射表
							pr_notice("%s", linux_banner);
							setup_arch(&command_line);//对不同体系结构的CPU设置不同的参数、选项等
							mm_init_cpumask(&init_mm);
							setup_command_line(command_line);//保存未改变的comand_line到字符数组static_command_line［］中。保存  boot_command_line到字符数组saved_command_line［］中
							setup_nr_cpu_ids();
							setup_per_cpu_areas();//每个CPU分配pre-cpu结构内存并复制.data.percpu段的数据
							smp_prepare_boot_cpu();	/* arch-specific boot-cpu hooks */

							build_all_zonelists(NULL, NULL);
							page_alloc_init();//设置内存页分配通知器  

							pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line);
							parse_early_param();//解析cmdline中的启动参数  
							after_dashes = parse_args("Booting kernel",
										  static_command_line, __start___param,
										  __stop___param - __start___param,
										  -1, -1, &unknown_bootoption);//这行代码主要对传入内核参数进行解释，如果不能识别的命令就调用最后参数的函数  
							if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
								parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,
									   set_init_arg);

							jump_label_init();

							/*
							 * These use large bootmem allocations and must precede
							 * kmem_cache_init()
							 */
							setup_log_buf(0);
							pidhash_init();
							vfs_caches_init_early(); //前期虚拟文件系统(vfs)的缓存初始化  
							sort_main_extable();//对内核异常表(exception table)按照异常向量号大小进行排序，以便加速访问
							trap_init();//初始化硬件中断，函数中设置了很多中断门
							mm_init();//建立内核的内存分配器

							/*
							 * 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();//初始化任务调度
							/*
							 * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
							 * fragile until we cpu_idle() for the first time.
							 */
							preempt_disable();//关闭优先级调度
							if (WARN(!irqs_disabled(),
								 "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))
								local_irq_disable();
							idr_init_cache();
							rcu_init();//初始化直接读拷贝更新的锁机制
							context_tracking_init();
							radix_tree_init();
							/* init some links before init_ISA_irqs() */
							early_irq_init();
							init_IRQ();//中断向量的初始化
							tick_init();//初始化tick控制功能，注册clockevents的框架
							rcu_init_nohz();
							init_timers();//初始化引导CPU的时钟相关的数据结构
							hrtimers_init();
							softirq_init();//初始化软件中断，软件中断与硬件中断区别就是中断发生时，软件中断是使用线程来监视中断信号，而硬件中断是使用CPU硬件来监视中断。  
							timekeeping_init();
							time_init();//初始化系统时钟。开启一个硬件定时器，开始产生系统时钟就是system_timer的初始化
							sched_clock_postinit();
							perf_event_init();
							profile_init();
							call_function_init();
							WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n");
							early_boot_irqs_disabled = false;
							local_irq_enable();

							kmem_cache_init_late();//核心Cache初始化

							/*
							 * 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();//控制台初始化
							if (panic_later)
								panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
								      panic_param);

							lockdep_info();

							/*
							 * Need to run this when irqs are enabled, because it wants
							 * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs
							 * too:
							 */
							locking_selftest();

						#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
							if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
							    page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {
								pr_crit("initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - disabling it.\n",
								    page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),
								    min_low_pfn);
								initrd_start = 0;
							}
						#endif
							page_cgroup_init();
							debug_objects_mem_init();
							kmemleak_init();
							setup_per_cpu_pageset();
							numa_policy_init();
							if (late_time_init)
								late_time_init();
							sched_clock_init();
							calibrate_delay();//延迟校准
							pidmap_init();//进程号位图初始化，一般用一个page来指示所有的进程PID占用情况   
							anon_vma_init();//初始化反向映射的匿名内存，提供反向查找内存的结构指针位置，快速地回收内存。
							acpi_early_init();
						#ifdef CONFIG_X86
							if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))
								efi_enter_virtual_mode();
						#endif
						#ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64
							/* Should be run before the first non-init thread is created */
							init_espfix_bsp();
						#endif
							thread_info_cache_init();
							cred_init();
							fork_init(totalram_pages);//初始化kernel的fork()环境。
							proc_caches_init();//进程缓存初始化，为进程初始化创建机制所需的其他数据结构申请空间   
							buffer_init(); //初始化文件系统的缓冲区，并计算最大可以使用的文件缓存。  
							key_init();//没有键盘则为空，如果有键盘，则为键盘分配一个高速缓存  
							security_init();
							dbg_late_init();
							vfs_caches_init(totalram_pages);//初始化虚拟文件系统  
							signals_init();//初始化内核信号队列
							/* rootfs populating might need page-writeback */
							page_writeback_init();//页面写机制初始化
							proc_root_init();//初始化系统进程文件系统，主要提供内核与用户进行交互的平台，方便用户实时查看进程的信息。  
							cgroup_init();
							cpuset_init();//初始化CPUSET，CPUSET主要为控制组提供CPU和内存节点的管理的结构。  
							taskstats_init_early();
							delayacct_init();

							check_bugs();//检查体系结构漏洞

							acpi_subsystem_init();
							sfi_init_late();

							if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {
								efi_late_init();
								efi_free_boot_services();
							}

							ftrace_init();

							/* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
							rest_init();//剩下的初始化工作,包括所有剩下的硬件驱动，线程初始化等
						}

                    

rest_init()

						static noinline void __init_refok rest_init(void)
						{
							int pid;//定义pid变量存放进程号

							rcu_scheduler_starting();//RCU(Read-Copy Update)锁机制启动
							/*
							 * 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);//kernel_thread调用了do_fork
							//kernel_init是个方法，init进程在此时创建好了，但是现在还不能调度它，会阻塞在wait_for_completion处,
							//等待kthreadd_done Signal,以便往后继续执行下去。
							numa_default_policy();//设定NUMA（Non-Uniform Memory Access Architecture）系统的内存访问策略为默认。
							pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);//创建kthreadd内核线程，它的作用是管理和调度其它内核线程。
							rcu_read_lock();
							kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);//获取kthreadd的线程信息，获取完成说明kthreadd已经创建成功
							rcu_read_unlock();
							complete(&kthreadd_done);//通过一个complete变量（kthreadd_done）来通知kernel_init线程。

							/*
							 * The boot idle thread must execute schedule()
							 * at least once to get things moving:
							 */
							init_idle_bootup_task(current);//当前0号进程init_task最终会退化成idle进程，所以这里让init_task进程隶属到idle调度类中。即选择idle的调度相关函数
							schedule_preempt_disabled();//启动一次Linux Kernel Process的排成Context-Switch调度机制, 从而使得kernel_init即1号进程获得处理机
							/* Call into cpu_idle with preempt disabled */
							cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);//调用cpu_idle()，0号线程进入idle函数的循环，在该循环中会周期性地检查。
						}
                    

kernel_init()

                    	static int __ref kernel_init(void *unused)
						{
							int ret;

							kernel_init_freeable();
							/* 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();

							flush_delayed_fput();

							if (ramdisk_execute_command) {//这也就是Linux系统中的1号进程，是第一个用户态进程，默认是根目录下的一个程序；如果根目录下没有这个进程，系统会寻找其他的默认进程作为1号进程，当系统没有进程需要执行时就调度到idle进程。
								ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);
								if (!ret)
									return 0;
								pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n",
								       ramdisk_execute_command, ret);
							}

							/*
							 * 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) {
								ret = run_init_process(execute_command);
								if (!ret)
									return 0;
								pr_err("Failed to execute %s (error %d).  Attempting defaults...\n",
									execute_command, ret);
							}
							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;

							panic("No working init found.  Try passing init= option to kernel. "
							      "See Linux Documentation/init.txt for guidance.");
						}
                    

在kernel_init中我们重点关注以下代码，在这段代码中实际上是通过run_init_process来执行/sbin/init,通过中断向量0x80（system_call）来从内核发起系统调用，如果/sbin/init调用失败，则会继续调用接下来的文件/etc/init,/bin/init,/bin/sh

代码有点多，总结一下。系统允许一个进程创建新进程，新进程即为子进程，子进程还可以创建新的子进程，形成进程树结构模型。整个linux系统的所有进程也是一个树形结构。Linux下有3个特殊的进程，idle进程(PID = 0), init进程(PID = 1)和kthreadd(PID = 2)。

在smp系统中，每个处理器单元有独立的一个运行队列，而每个运行队列上又有一个idle进程，即有多少处理器单元，就有多少idle进程。idle进程由系统自动创建, 运行在内核态。idle进程其pid=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或者kernel_thread产生的进程。完成加载系统后，演变为进程调度、交换。

整个linux系统的所有进程是一个树形结构。树根是系统自动构造的，即在内核态下执行的0号进程，它是所有进程的祖先。由0号进程创建1号进程（内核态），1号负责执行内核的部分初始化工作及进行系统配置，并创建若干个用于高速缓存和虚拟主存管理的内核线程。随后，1号进程调用execve()运行可执行程序init，并演变成用户态1号进程，即init进程。

init进程由idle通过kernel_thread创建，在内核空间完成初始化后, 加载init程序,是系统中所有其它用户进程的祖先进程。Linux中的所有进程都是有init进程创建并运行的。首先Linux内核启动，然后在用户空间中启动init进程，再启动其他系统进程。在系统启动完成完成后，init将变为守护进程监视系统其他进程。

kthreadd进程由idle通过kernel_thread创建，并始终运行在内核空间, 负责所有内核线程的调度和管理，它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数，该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入到此链表中，因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程。