Linux内核设计第三周学习总结 跟踪分析Linux内核的启动过程

陈巧然 原创作品 转载请注明出处

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

实验步骤

登陆实验楼虚拟机http://www.shiyanlou.com/courses/195

打开shell终端，执行以下命令：

cd LinuxKernel/

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

执行完毕后会弹出QEMU窗口，输出Linux内核启动信息

 

启动成功后界面显示MenuOS命令提示符

 

系统支持三个命令：help、version、quit

 

 

使用gdb跟踪调试内核

打开shell终端，执行以下命令：

cd LinuxKernel/

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) 在系统启动的时候冻结CPU，使用c键继续执行后续操作

-s shorthand for -gdb tcp::1234 打开远程调试端口，默认使用tcp协议1234端口，若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项

 

 

打开另外一个shell终端，执行以下命令

gdb

（gdb）filelinux-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）breakstart_kernel # 断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后

 

 

按c键继续执行到start_kernel()函数

 

 

输入list命令查看start_kernel()函数代码

 

 

再设置一个断点rest_init

 

 

查看rest_init()函数代码

 

 

利用break设置断点，c继续执行，list查看函数代码可以方便调试Linux启动过程中用到的任何函数。

实验分析

本文以Linux3.19.1源代码为例分析。

分析./init/main.c源码文件start_kernel()函数

Linux内核启动代码大致分2部分：

一部分是硬件平台相关的，存放在./arch/目录下，以平台区分不同目录，比如x86平台就在./arch/x86/目录下，由汇编语言编写而成。

另一部分是硬件平台无关的，由C语言编写而成。

./init/main.c中的start_kernel()函数即是Linux内核启动过程由平台相关转为平台无关代码后第一个执行的函数，在这个函数中，Linux内核开始真正进入初始化阶段。

下面简单介绍其中的几个函数。（斜体字为源码，粗体字为解释）

/*

* Need to run as early as possible, to initialize the

* lockdep hash:

*/

lockdep_init();

lockdep是一个内核调试模块，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);

手工创建的PCB，0号进程即最终的idle进程。

/*

* Set up the the initial canary ASAP:

*/

boot_init_stack_canary();

canary值的是用于防止栈溢出攻击的堆栈的保护字。

trap_init();

对内核陷阱异常进行初始化。

mm_init();

初始化内核内存分配器。

/*

* 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();

初始化调度器数据结构，并创建运行队列。（一道作业题的答案：Linux源码start_kernel函数中调用进程调度初始化的是哪个函数？）

/* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */

rest_init();

start_kernel()函数中调用的最后一个函数。

分析./init/main.c源码文件rest_init()函数

rest_init()函数的主要功能是创建并启动内核进程init，即第一个用户态进程。

int pid;

定义pid变量存放进程号

rcu_scheduler_starting();

RCU(Read-Copy Update)锁机制启动。

参考：Linux 2.6内核中新的锁机制--RCU

/*

* 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);

init进程在此时创建好了，但是现在还不能调度它。

numa_default_policy();

设定NUMA（Non-Uniform Memory Access Architecture）系统的内存访问策略为默认。

参考：Linux 的 NUMA 技术

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。

实验总结：

当计算机系统加电（Power on PC）后，BIOS代码被调用执行，然后开始调用执行Linux内核初始化代码，在平台相关的汇编代码执行完毕后会跳转到start_kernel()函数，开始真正的内核初始化，其中init_task创建了0号进程，即最终的idle进程，随后rest_init()函数创建了init进程，即1号进程，以及kthreadd进程，即2号进程，系统开始正常工作了。