手把手教你分析 Linux 启动流程

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嵌入式Linux系统开发 2021-12-16 10:02:02 ©著作权

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最新 Linux 内核是 5.15 版本。现在常用 Linux 内核源码为4.14、4.19、4.9 等版本，其中 4.14 版本源码压缩包大概 90+M，解压后 700+M，合计 61350 个文件。如此众多的文件，用 source insight 或者 VSCode 查看都会比较卡，所以可以采用在线查看的方式。

Android系统是基于Linux 内核的，最底层为Linux内核，源码量翻很多倍。所以用软件看安卓源码更卡，可以使用在线网址看源码。

我们知道，Linux 系统的启动，前面有一个启动引导程序 bootloader，比如常用的 uboot，本文不分析 uboot 的启动，只放一张流程图：

手把手教你分析 Linux 启动流程_初始化

本文主要讲解当从 bootloader 跳转到 Linux 系统的启动函数 start_kernel 后，此函数对系统初始化的流程。

在 linux4.14/arch/arm/kernel/head.S 文件中，是最后汇编阶段的初始化，而后会跳转到 main.c 文件的 start_kernel 函数，在此做 Linux 启动初始化，在这个函数中会调用将近100个函数去完成 Linux 系统的初始化，调用函数如下（不同内核版本，顺序和细节有变化）：

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

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();
}

其中有七个函数较为重要，分别为：

setup_arch(&command_line);

mm_init();

sched_init();

init_IRQ();

console_init();

vfs_caches_init();

rest_init();

1、setup_arch(&command_line)

此函数是系统架构初始化函数，处理 uboot 传递进来的参数，不同的架构进行不同的初始化，也就是说每个架构都会有一个 setup_arch 函数。

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

手把手教你分析 Linux 启动流程_嵌入式_02

2、mm_init

内存初始化函数

linux4.14/init/main.c

手把手教你分析 Linux 启动流程_嵌入式_03

3、sched_init

核心进程调度器初始化。Linux 内核实现了四种调度方式，一般是采用 CFS 调度方式。作为一个普适性的操作系统，必须考虑各种需求，我们不能只按照中断优先级或者时间轮转片来规定进程运行的时间。作为一个多用户操作系统，必须考虑到每个用户的公平性。不能因为一个用户没有高级权限，就限制他的进程的运行时间，要考虑每个用户拥有公平的时间。

linux4.14/kernel/sched/core.c

手把手教你分析 Linux 启动流程_嵌入式_04

4、init_IRQ

中断初始化函数，这个很好理解，大家都用过中断。

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

手把手教你分析 Linux 启动流程_嵌入式_05

5、console_init

在这个函数初始化之前，你所有写的内核打印函数 printk 都打印不出东西。在这个函数初始化之前，所有打印都会存在 buf 里，此函数初始化以后，会将 buf里面的数据打印出来，你才能在终端看到 printk 打印的东西。

tty 是 Linux 中的终端， _con_initcall_start 和_con_initcall_end 这两句的意思是执行所有两者之间的 initcall 函数。

linux4.14/kernel/printk/printk.c

手把手教你分析 Linux 启动流程_嵌入式_06

6、vfs_caches_init

虚拟文件系统初始化，比如 sysfs，根文件系统等，就是在这一步进行挂载，proc 是内核虚拟的，用来输出内核数据结构信息，不算在这里。

vfs虚拟文件系统，屏蔽了底层硬件的不同，提供了统一了接口，方便系统的移植和使用。使用户在不用更改应用代码的情况下直接移植代码到其他平台。

linux4.14/fs/dcache.c

手把手教你分析 Linux 启动流程_嵌入式_07

这里的挂载主要在mnt_init()函数中：

linux4.14/fs/namespace.c

手把手教你分析 Linux 启动流程_linux_08

7、rest_init

这个函数可以算是 start_kernel函数调用的最后一个函数，在这里产生了最重要的两个内核进程 kernel_init 和 kthreadd，kernel_init后面会从内核空间跳转到用户空间，变成用户空间的 init 进程，PID=1，而 kthreadd ，PID=2，是内核进程，专门用来监听创建内核进程的请求，它维护了一个链表，如果有创建内核进程的需求，就会在链表上创建。

至此，用户空间最重要的 init 进程已经出来，后面用户空间的进程都由 init进程来 fork。如果是安卓系统，init 进程会 fork 出一个 zygote 进程，他是所有安卓系统进程的父进程。

linux4.14/init.main.c

手把手教你分析 Linux 启动流程_嵌入式_09