手把手教你分析 Linux 啟動流程

作者：Jasonangel 2021-09-18 14:26:49

本文主要講解當從 bootloader 跳轉到 Linux 系統的啟動函數 start_kernel 后，此函數對系統初始化的流程。

下載 Linux 內核網址：

https://www.kernel.org/

最新 Linux 內核是 5.15 版本。現在常用 Linux 內核源碼為4.14、4.19、4.9 等版本，其中 4.14 版本源碼壓縮包大概 90+M，解壓后 700+M，合計 61350 個文件。如此眾多的文件，用 source insight 或者 VSCode 查看都會比較卡，所以可以采用在線查看的方式。

在線查看 Linux 內核源碼網址：

https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source

在線查看 Android 源碼：

http://androidxref.com/

Android系統是基于Linux 內核的，最底層為Linux內核，源碼量翻很多倍。所以用軟件看安卓源碼更卡，可以使用在線網址看源碼。

我們知道，Linux 系統的啟動，前面有一個啟動引導程序 bootloader，比如常用的 uboot，本文不分析 uboot 的啟動，只放一張流程圖：

本文主要講解當從 bootloader 跳轉到 Linux 系統的啟動函數 start_kernel 后，此函數對系統初始化的流程。

在 linux4.14/arch/arm/kernel/head.S 文件中，是最后匯編階段的初始化，而后會跳轉到 main.c 文件的 start_kernel 函數，在此做 Linux 啟動初始化，在這個函數中會調用將近100個函數去完成 Linux 系統的初始化，調用函數如下(不同內核版本，順序和細節有變化)：

linux4.14/init/main.c，start_kernel 函數。

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void) 
{ 
 char *command_line; 
 char *after_dashes; 
 
 set_task_stack_end_magic(&init_task); 
 smp_setup_processor_id(); 
 debug_objects_early_init(); 
 
 cgroup_init_early(); 
 
 local_irq_disable(); 
 early_boot_irqs_disabled = true; 
 /* 
  * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then 
  * enable them. 
  */ 
 boot_cpu_init(); 
 page_address_init(); 
 pr_notice("%s", linux_banner); 
 setup_arch(&command_line); 
 /* 
  * Set up the the initial canary and entropy after arch 
  * and after adding latent and command line entropy. 
  */ 
 add_latent_entropy(); 
 add_device_randomness(command_line, strlen(command_line)); 
 boot_init_stack_canary(); 
 mm_init_cpumask(&init_mm); 
 setup_command_line(command_line); 
 setup_nr_cpu_ids(); 
 setup_per_cpu_areas(); 
 smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */ 
 boot_cpu_hotplug_init(); 
 
 build_all_zonelists(NULL); 
 page_alloc_init(); 
 
 pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line); 
 /* parameters may set static keys */ 
 jump_label_init(); 
 parse_early_param(); 
 after_dashes = parse_args("Booting kernel", 
      static_command_line, __start___param, 
      __stop___param - __start___param, 
      -1, -1, NULL, &unknown_bootoption); 
 if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes)) 
  parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1, 
      NULL, set_init_arg); 
 /* 
  * These use large bootmem allocations and must precede 
  * kmem_cache_init() 
  */ 
 setup_log_buf(0); 
 pidhash_init(); 
 vfs_caches_init_early(); 
 sort_main_extable(); 
 trap_init(); 
 mm_init(); 
 
 ftrace_init(); 
 
 /* trace_printk can be enabled here */ 
 early_trace_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(); 
 /* 
  * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely 
  * fragile until we cpu_idle() for the first time. 
  */ 
 preempt_disable(); 
 if (WARN(!irqs_disabled(), 
   "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n")) 
  local_irq_disable(); 
 radix_tree_init(); 
 /* 
  * Allow workqueue creation and work item queueing/cancelling 
  * early.  Work item execution depends on kthreads and starts after 
  * workqueue_init(). 
  */ 
 workqueue_init_early(); 
 
 rcu_init(); 
 
 /* Trace events are available after this */ 
 trace_init(); 
 
 context_tracking_init(); 
 /* init some links before init_ISA_irqs() */ 
 early_irq_init(); 
 init_IRQ(); 
 tick_init(); 
 rcu_init_nohz(); 
 init_timers(); 
 hrtimers_init(); 
 softirq_init(); 
 timekeeping_init(); 
 time_init(); 
 sched_clock_postinit(); 
 printk_safe_init(); 
 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(); 
 /* 
  * 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(); 
 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(); 
 /* 
  * This needs to be called before any devices perform DMA 
  * operations that might use the SWIOTLB bounce buffers. It will 
  * mark the bounce buffers as decrypted so that their usage will 
  * not cause "plain-text" data to be decrypted when accessed. 
  */ 
 mem_encrypt_init(); 
 
#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 
 kmemleak_init(); 
 debug_objects_mem_init(); 
 setup_per_cpu_pageset(); 
 numa_policy_init(); 
 if (late_time_init) 
  late_time_init(); 
 calibrate_delay(); 
 pidmap_init(); 
 anon_vma_init(); 
 acpi_early_init(); 
#ifdef CONFIG_X86 
 if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) 
  efi_enter_virtual_mode(); 
#endif 
 thread_stack_cache_init(); 
 cred_init(); 
 fork_init(); 
 proc_caches_init(); 
 buffer_init(); 
 key_init(); 
 security_init(); 
 dbg_late_init(); 
 vfs_caches_init(); 
 pagecache_init(); 
 signals_init(); 
 proc_root_init(); 
 nsfs_init(); 
 cpuset_init(); 
 cgroup_init(); 
 taskstats_init_early(); 
 delayacct_init(); 
 
 check_bugs(); 
 
 acpi_subsystem_init(); 
 arch_post_acpi_subsys_init(); 
 sfi_init_late(); 
 
 if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) { 
  efi_free_boot_services(); 
 } 
 /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */ 
 rest_init(); 
 
 prevent_tail_call_optimization(); 
}

其中有七個函數較為重要，分別為：

setup_arch(&command_line); 
 
mm_init(); 
 
sched_init(); 
 
init_IRQ(); 
 
console_init(); 
 
vfs_caches_init(); 
 
rest_init();

1、setup_arch(&command_line)

此函數是系統架構初始化函數，處理 uboot 傳遞進來的參數，不同的架構進行不同的初始化，也就是說每個架構都會有一個 setup_arch 函數。

linux4.14/arch/arm/kernel/setup.c

2、mm_init

內存初始化函數

linux4.14/init/main.c

3、sched_init

核心進程調度器初始化。Linux 內核實現了四種調度方式，一般是采用 CFS 調度方式。作為一個普適性的操作系統，必須考慮各種需求，我們不能只按照中斷優先級或者時間輪轉片來規定進程運行的時間。作為一個多用戶操作系統，必須考慮到每個用戶的公平性。不能因為一個用戶沒有高級權限，就限制他的進程的運行時間，要考慮每個用戶擁有公平的時間。

linux4.14/kernel/sched/core.c

4、init_IRQ

中斷初始化函數，這個很好理解，大家都用過中斷。

linux4.14/arch/arm/kernel/irq.c

5、console_init

在這個函數初始化之前，你所有寫的內核打印函數 printk 都打印不出東西。在這個函數初始化之前，所有打印都會存在 buf 里，此函數初始化以后，會將 buf里面的數據打印出來，你才能在終端看到 printk 打印的東西。

tty 是 Linux 中的終端， _con_initcall_start 和_con_initcall_end 這兩句的意思是執行所有兩者之間的 initcall 函數。

linux4.14/kernel/printk/printk.c

6、vfs_caches_init

虛擬文件系統初始化，比如 sysfs，根文件系統等，就是在這一步進行掛載，proc 是內核虛擬的，用來輸出內核數據結構信息，不算在這里。

vfs虛擬文件系統，屏蔽了底層硬件的不同，提供了統一了接口，方便系統的移植和使用。使用戶在不用更改應用代碼的情況下直接移植代碼到其他平臺。

linux4.14/fs/dcache.c

這里的掛載主要在mnt_init()函數中：

linux4.14/fs/namespace.c

7、rest_init

這個函數可以算是 start_kernel函數調用的最后一個函數，在這里產生了最重要的兩個內核進程 kernel_init 和 kthreadd，kernel_init后面會從內核空間跳轉到用戶空間，變成用戶空間的 init 進程，PID=1，而 kthreadd ，PID=2，是內核進程，專門用來監聽創建內核進程的請求，它維護了一個鏈表，如果有創建內核進程的需求，就會在鏈表上創建。

至此，用戶空間最重要的 init 進程已經出來，后面用戶空間的進程都由 init進程來 fork。如果是安卓系統，init 進程會 fork 出一個 zygote 進程，他是所有安卓系統進程的父進程。

linux4.14/init.main.c