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=<optimized out>) 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: %s\n", 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 it\n"))
		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 early\n");
	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_CS	14

#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:

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

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