趣谈linux操作系统笔记-内核初始化

内核的启动从入口函数 start_kernel() 开始。在 init/main.c 文件中，start_kernel 相当于内核的main 函数。打开这个函数，你会发现，里面是各种各样初始化函数 XXXX_init

第一步：在操作系统里面，先要有个创始进程，有一行指令 set_task_stack_end_magic(&init_task)。这里
面有一个参数 init_task，它的定义是 struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task)。它是系
统创建的第一个进程，我们称为0 号进程。这是唯一一个没有通过 fork 或者 kernel_thread 产生
的进程，是进程列表的第一个

第二步：对应的函数是 trap_init()，里面设置了很多中断门（Interrupt Gate），用于处理各种中
断。其中有一个 set_system_intr_gate(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_32)，这是系统调用
的中断门。系统调用也是通过发送中断的方式进行的

第三步：初始化的会议室管理系统。对应的，mm_init() 就是用来初始化内存管理模块。

第四步：项目需要项目管理进行调度，需要执行一定的调度策略。sched_init() 就是用于初始化调度模块。
vfs_caches_init() 会用来初始化基于内存的文件系统 rootfs。在这个函数里面，会调用 mnt_init()-init_rootfs()。这里面有一行代码，register_filesystem(&rootfs_fs_type)。在 VFS 虚拟文件系统里面注册了一种类型，我们定义为 struct file_system_type rootfs_fs_type。文件系统是我们的项目资料库，为了兼容各种各样的文件系统，我们需要将文件的相关数据结构和操作抽象出来，形成一个抽象层对上提供统一的接口，这个抽象层就是 VFS（Virtual FileSystem），虚拟文件系统。

第五步:start_kernel() 调用的是 rest_init()，用来做其他方面的初始化，

在其他初始化中,主要是创建1号进程和2号进程

初始化 1 号进程

rest_init 的第一大工作是，用 kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS) 创建第二个进程，这个是1 号进程。

pid=1 ：init进程，系统启动的第一个用户级进程，是所有其它进程的父进程，引导用户空间服务。
pid为 1 的一定是init进程.
它是内核运行后的第一个进程.

内核态和用户态

将能够访问关键资源的代码放在 Ring0，我们称为内核态（Kernel Mode）；将普通的程序代码放在 Ring3，我们称为用户态（User Mode）

用户态的代码想要访问核心资源 ?

请求系统调用

比如当一个用户态的程序运行到一半，要访问一个核心资源，例如访问网卡发一个网络包，就需要暂停当前的运行，调用系统调用，接下来就轮到内核中的代码运行了。

首先，内核将从系统调用传过来的包，在网卡上排队，轮到的时候就发送。发送完了，系统调用就结束了，返回用户态，让暂停运行的程序接着运行

这个暂停怎么实现呢？其实就是把程序运行到一半的情况保存下来。例如，我们知道，内存是用来保存程运行时候的中间结果的，现在要暂时停下来，这些中间结果不能丢，因为再次运行的时候，还要基于这些中间结果接着来。另外就是，当前运行到代码的哪一行了，当前的栈在哪里，这些都是在寄存器里面的。

所以，暂停的那一刻，要把当时 CPU 的寄存器的值全部暂存到一个地方，这个地方可以放在进程管理系统很容易获取的地方。在后面讨论进程管理数据结构的时候，我们还会详细讲。当系统调用完毕，返回的时候，再从这个地方将寄存器的值恢复回去，就能接着运行了

这个过程就是这样的：用户态 - 系统调用 - 保存寄存器 - 内核态执行系统调用 - 恢复寄存器 - 返回
用户态，然后接着运行

从内核态到用户态

1,调用kernel_thread ,kernel_thread 的参数是一个函数kernel_init ,在 kernel_init里面，会调用 kernel_init_freeable()， 然后调用run_init_process 函数，会发现它调用的是 do_execve。

其中kernel_init_freeable()会去判断是否存在ramdisk_execute_command ,如果ramdisk_execute_command变量指定了要运行的程序，启动它。

ramdisk_execute_command的取值分为三种情况：

a.如果命令行参数中指定了“rdinit=...”，则ramdisk_execute_command等于这个参数指定的程序。

b.否则，如果/init程序存在，ramdisk_execute_command就等于/init

c.否则，ramdisk_execute_command为空

execve 是一个系统调用，它的作用是运行一个执行文件。加一个 do_ 的往往是内核系统调用的实现。没错，这就是一个系统调用，它会尝试运行 ramdisk 的“/init”，或者普通文件系的“/sbin/init”“/etc/init”“/bin/init”“/bin/sh”。不同版本的 Linux 会选择不同的文件启动

后续执行do_execve->do_execveat_common->exec_binprm->search_binary_handler

ramdisk 的作用
init 终于从内核到用户态了。一开始到用户态的是 ramdisk 的 init，后来会启动真正根文件系统上的 init，成为所有用户态进程的祖先。
为什么会有 ramdisk 这个东西呢？还记得上一节咱们内核启动的时候，配置过这个参数：

init 程序是在文件系统上的，文件系统一定是在一个存储设备上的，例如硬盘。Linux 访问存储设备，要有驱动才能访问。如果存储系统数目很有限，那驱动可以直接放到内核里面，反正前面我们加载过内核到内存里了，现在可以直接对存储系统进行访问。但是存储系统越来越多了，如果所有市面上的存储系统的驱动都默认放进内核，内核就太大了。为了解决这个问题,只好先弄一个基于内存的文件系统。内存访问是不需要驱动的，这个就是ramdisk。这个时候，ramdisk 是根文件系统。然后，我们开始运行 ramdisk 上的 /init。等它运行完了就已经在用户态了。/init 这个程序会先根据存储系统的类型加载驱动，有了驱动就可以设置真正的根文件系统了。有了真正的根文件系统，ramdisk 上的 /init 会启动文件系统上的 init。
接下来就是各种系统的初始化。启动系统的服务，启动控制台，用户就可以登录进来了。

2号进程

rest_init第二大事情就是第三个进程，就是 2 号进程。进程。这里需要指出一点，函数名 thread 可以翻译成“线程”，这也是操作系统很重要的一个概念。它和进程有什么区别呢？为什么这里创建的是进程，函数名却是线程呢？从用户态来看，创建进程其实就是立项，也就是启动一个项目。这个项目包含很多资源，例如会议室、资料库等。这些东西都属于这个项目，但是这个项目需要人去执行。有多个人并行执行不同的部分，这就叫多线程（Multithreading）。如果只有一个人，那它就是这个项目的主线程。但是从内核态来看，无论是进程，还是线程，我们都可以统称为任（Task）都使用相同的数据结构，平放在同一个链表中。这些在进程的那一章节，我会更加详细地讲。这里的kthreadd，负责所有内核态的线程的调度和管理，是内核态所有线程运行的祖先