Linux内核分析实验3——分析linux内核启动过程

本文大量内容引用自孟宁老师在《LINUX操作系统分析》课程中的内容
《Linux内核分析》MOOC课程

http://www.xuetangx.com/courses/course-v1:ustcX+USTC001+_/about

环境的搭建参见上面的链接

在编译源码的过程中，gcc报错，error: linux/compiler-gcc6.h: 没有那个文件或目录
百度之后，发现是因为我的gcc太新导致了这个问题
解决方案见下面连接
http://blog.chinaunix.net/uid-20680966-id-5322921.html

linux源码根目录/init/main.c为linux内核启动文件
启动函数为start_kernel();

代码分析

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{char *command_line; /*命令行，用来存放bootloader传递过来的参数*/char *after_dashes;/** 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。建立一个哈希表(hash tables)，就是一个前后指向的指针结构体数组。 （函数的主要作用是初始化锁的状态跟踪模块。由于内核大量使用锁来进行多进程多处理器的同步操作，死锁就会在代码不合理的时候出现，但是要定位哪个锁比较困难，用哈希表可以跟踪锁的使用状态。死锁情况：一个进程递归加锁同一把锁；同一把锁在两次中断中加锁；几把锁形成闭环死锁）*/set_task_stack_end_magic(&init_task); /*init_task即手工创建的PCB，0号进程即最终的idle进程*/smp_setup_processor_id(); /*针对SMP处理器，用于获取当前CPU的硬件ID，如果不是多核，函数为空 (判断是否定义了CONFIG_SMP，如果定义了调用read_cpuid_mpidr读取寄存器CPUID_MPIDR的值，就是当前正在执行初始化的CPU ID，为了在初始化时做个区分，初始化完成后，所有处理器都是平等的，没有主从)*/debug_objects_early_init(); /*初始化哈希桶(hash buckets)并将static object和pool object放入poll列表，这样堆栈就可以完全操作了 （这个函数的主要作用就是对调试对象进行早期的初始化，就是HASH锁和静态对象池进行初始化，执行完后，object tracker已经开始完全运作了）*//** 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。初始化堆栈保护的值，防止栈溢出*/cgroup_init_early(); /*在系统启动时初始化cgroups，同时初始化需要early_init的子系统 （这个函数作用是控制组(control groups)早期的初始化，控制组就是定义一组进程具有相同资源的占有程度，比如，可以指定一组进程使用CPU为30%，磁盘IO为40%，网络带宽为50%。目的就是为了把所有进程分配不同的资源）*/local_irq_disable(); /*关闭当前CPU的所有中断响应，操作CPSR寄存器。对应后面的*/early_boot_irqs_disabled = true; /*系统中断关闭标志，当early_init完毕后，会恢复中断设置标志为false。*//** Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then* enable them*/boot_cpu_init(); /*设置当前引导系统的CPU在物理上存在，在逻辑上可以使用，并且初始化准备好，即激活当前CPU （在多CPU的系统里，内核需要管理多个CPU，那么就需要知道系统有多少个CPU，在内核里使用cpu_present_map位图表达有多少个CPU，每一位表示一个CPU的存在。如果是单个CPU，就是第0位设置为1。虽然系统里有多个CPU存在，但是每个CPU不一定可以使用，或者没有初始化，在内核使用cpu_online_map位图来表示那些CPU可以运行内核代码和接受中断处理。随着移动系统的节能需求，需要对CPU进行节能处理，比如有多个CPU运行时可以提高性能，但花费太多电能，导致电池不耐用，需要减少运行的CPU个数，或者只需要一个CPU运行。这样内核又引入了一个cpu_possible_map位图，表示最多可以使用多少个CPU。在本函数里就是依次设置这三个位图的标志，让引导的CPU物理上存在，已经初始化好，最少需要运行的CPU。）*/page_address_init();  /*初始化高端内存的映射表 （在这里引入了高端内存的概念，那么什么叫做高端内存呢？为什么要使用高端内存呢？其实高端内存是相对于低端内存而存在的，那么先要理解一下低端内存了。在32位的系统里，最多能访问的总内存是4G，其中3G空间给应用程序，而内核只占用1G的空间。因此，内核能映射的内存空间，只有1G大小，但实际上比这个还要小一些，大概是896M，另外128M空间是用来映射高端内存使用的。因此0到896M的内存空间，就叫做低端内存，而高于896M的内存，就叫高端内存了。如果系统是64位系统，当然就没未必要有高端内存存在了，因为64位有足够多的地址空间给内核使用，访问的内存可以达到10G都没有问题。在32位系统里，内核为了访问超过1G的物理内存空间，需要使用高端内存映射表。比如当内核需要读取1G的缓存数据时，就需要分配高端内存来使用，这样才可以管理起来。使用高端内存之后，32位的系统也可以访问达到64G内存。在移动操作系统里，目前还没有这个必要，最多才1G多内存）*/pr_notice("%s", linux_banner); /*输出各种信息(Linux_banner是在kernel/init/version.c中定义的，这个字符串是编译脚本自动生成的)*/setup_arch(&command_line); /*很重要的一个函数arch/arm/kernel/setup.c
（内核架构相关初始化函数，是非常重要的一个初始化步骤。其中包含了处理器相关参数的初始化、内核启动参数(tagged list)的获取和前期处理、内存子系统的早期初始化(bootmem分配器)）*/mm_init_cpumask(&init_mm); /*每一个任务都有一个mm_struct结构来管理内存空间，init_mm是内核的mm_struct*/setup_command_line(command_line); /*对cmdline进行备份和保存*/setup_nr_cpu_ids(); /*设置最多有多少个nr_cpu_ids结构*/setup_per_cpu_areas(); /*为系统中每个CPU的per_cpu变量申请空间，同时拷贝初始化段里数据（.data.percpu）*/smp_prepare_boot_cpu();    /* arch-specific boot-cpu hooks */ /*为SMP系统里引导CPU(boot-cpu)进行准备工作。在ARM系统单核里是空函数*/build_all_zonelists(NULL, NULL); /*设置内存管理相关的node（节点，每个CPU一个内存节点）和其中的zone（内存域，包含于节点中，如）数据结构,以完成内存管理子系统的初始化，并设置bootmem分配器*/page_alloc_init(); /*设置内存页分配通知器*/pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line);parse_early_param(); /*解析cmdline中的启动参数*/after_dashes = parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param,__stop___param - __start___param,-1, -1, &unknown_bootoption); /*这行代码主要对传入内核参数进行解释，如果不能识别的命令就调用最后参数的函数*/if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,set_init_arg);jump_label_init();/** These use large bootmem allocations and must precede* kmem_cache_init()*/setup_log_buf(0); /*使用bootmeme分配一个记录启动信息的缓冲区*/pidhash_init(); /*进程ID的HASH表初始化，用bootmem分配并初始化PID散列表，由PID分配器管理空闲和已指派的PID，这样可以提供通PID进行高效访问进程结构的信息。LINUX里共有四种类型的PID，因此就有四种HASH表相对应。*/vfs_caches_init_early(); /*前期虚拟文件系统(vfs)的缓存初始化*/sort_main_extable(); /*对内核异常表(exception table)按照异常向量号大小进行排序，以便加速访问*/trap_init(); /*对内核陷阱异常进行初始化，在ARM系统里是空函数，没有任何的初始化。内有set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &SYSTEM_CALL)*/mm_init();
/*标记哪些内存可以使用，并且告诉系统有多少内存可以使用，当然是除了内核使用的内存以外
（初始化内核内存分配器，包括六个子函数
1、page_cgroup_init_flatmem()；获取page_cgroup所需内存
2、mem_init；关闭并释放bootmem分配器，打印内存信息，内核启动时看到Virtual kernel memory layout:的信息就是这个函数的3、kmem_cache_init()；初始化slab分配器
4、percpu_init_late()；PerCPU变量系统后期初始化
5、pgtable_cache_init()；也表缓存初始化，arm中是个空函数 6、vmalloc_init()；初始化虚拟内存分配器*//** 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(); /*对进程调度器的数据结构进行初始化，创建运行队列，设置当前任务的空线程，当前任务的调度策略为CFS调度器 *//** Disable preemption - early bootup scheduling is extremely* fragile until we cpu_idle() for the first time.*/preempt_disable(); /*关闭优先级调度。由于每个进程任务都有优先级，目前系统还没有完全初始化，还不能打开优先级调度。*/if (WARN(!irqs_disabled(),"Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))local_irq_disable(); /*这段代码主要判断是否过早打开中断，如果是这样，就会提示，并把中断关闭*/idr_init_cache(); /*为IDR机制分配缓存，主要是为 structidr_layer结构体分配空间*/rcu_init(); /*初始化直接读拷贝更新的锁机制。 Read-Copy Update （RCU主要提供在读取数据机会比较多，但更新比较的少的场合，这样减少读取数据锁的性能低下的问题。）*/context_tracking_init();radix_tree_init(); /*内核radis 树算法初始化*//* init some links before init_ISA_irqs() */early_irq_init(); /*前期外部中断描述符初始化，主要初始化数据结构*/init_IRQ(); /*对应架构特定的中断初始化函数，在ARM中就是machine_desc->init_irq()，就是运行设备描述结构体中的init_irq函数[arch/arm/mach-msm/board-xxx.c]*/tick_init(); /*初始化内核时钟系统，tick control，调用clockevents_register_notifier，就是监听时钟变化事件 （这个函数主要作用是初始化时钟事件管理器的回调函数，比如当时钟设备添加时处理。在内核里定义了时钟事件管理器，主要用来管理所有需要周期性地执行任务的设备）*/rcu_init_nohz();init_timers(); /*初始化引导CPU的时钟相关的数据结构，注册时钟的回调函数，当时钟到达时可以回调时钟处理函数，最后初始化时钟软件中断处理*/hrtimers_init(); /*初始化高精度的定时器，并设置回调函数。*/softirq_init(); /*初始化软件中断，软件中断与硬件中断区别就是中断发生时，软件中断是使用线程来监视中断信号，而硬件中断是使用CPU硬件来监视中断。*/timekeeping_init(); /*初始化系统时钟计时，并且初始化内核里与时钟计时相关的变量。*/time_init(); /*初始化系统时钟。开启一个硬件定时器，开始产生系统时钟就是system_timer的初始化,arch/arm/mach-msm/board-*.c */sched_clock_postinit();perf_event_init(); /*CPU性能监视机制初始化，此机制包括CPU同一时间执行指令数，cache miss数，分支预测失败次数等性能参数*/profile_init(); /*分配内核性能统计保存的内存，以便统计的性能变量可以保存到这里*/call_function_init(); /*初始化所有CPU的call_single_queue，同时注册CPU热插拔通知函数到CPU通知链中*/WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n"); /*对应前面的local_irq_disable() (打开本CPU的中断，也即允许本CPU处理中断事件，在这里打开引CPU的中断处理。如果有多核心，别的CPU还没有打开中断处理。)*/early_boot_irqs_disabled = false;local_irq_enable();kmem_cache_init_late(); /*这是内核内存缓存(slab分配器)的后期初始化，当初始化完成之后，就可以使用通用内存缓存了*//** 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(); /*初始化控制台，从这个函数之后就可以输出内容到控制台了。在这个函数初化之前，都没有办法输出内容，就是输出，也是写到输出缓冲区里，缓存起来，等到这个函数调用之后，就立即输出内容*/if (panic_later)panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,panic_param); /*判断分析输入的参数是否出错，如果有出错，就启动控制台输出之后，立即打印出错的参数，以便用户立即看到出错的地方。*/lockdep_info(); /*打印锁的依赖信息，用来调试锁。通过这个函数可以查看目前锁的状态，以便可以发现那些锁产生死锁，那些锁使用有问题。*//** 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(); /*测试锁的API是否使用正常，进行自我测试。比如测试自旋锁、读写锁、一般信号量和读写信号量。*/#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRDif (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 /*检查initrd的位置是否符合要求，也就是判断传递进来initrd_start对应的物理地址是否正常，如果有误就打印错误信息，并清零initrd_start。*/page_cgroup_init(); /*初始化容器组的页面内存分配，mem_cgroup是cgroup体系中提供的用于memory隔离的功能，*/debug_objects_mem_init(); /*这个函数是创建调试对象内存分配初始化，所以紧跟内存缓存初始化后面*/kmemleak_init(); /*内核内存泄漏检测机制初始化；*/setup_per_cpu_pageset(); /*创建每个CPU的高速缓存集合数组并初始化，此前只有启动页组。因为每个CPU都不定时需要使用一些页面内存和释放页面内存，为了提高效率，就预先创建一些内存页面作为每个CPU的页面集合。*/numa_policy_init(); /*初始化NUMA的内存访问策略。所谓NUMA，它是NonUniform Memory AccessAchitecture(非一致性内存访问)的缩写，主要用来提高多个CPU访问内存的速度。因为多个CPU访问同一个节点的内存速度远远比访问多个节点的速度来得快。*/if (late_time_init)late_time_init(); /*主要运行时钟相关后期的初始化功能。*/sched_clock_init(); /*对每个CPU进行系统进程调度时钟初始化*/calibrate_delay(); /*主要计算CPU需要校准的时间，这里说的时间是CPU执行时间。如果是引导CPU，这个函数计算出来的校准时间是不需要使用的，主要使用在非引导CPU上，因为非引导CPU执行的频率不一样，导致时间计算不准确。BogoMIPS值，也是衡量cpu性能的标志*/pidmap_init(); /*进程位图初始化，一般情况下使用一页来表示所有进程占用情况。*/anon_vma_init(); /*初始化反向映射的匿名内存，提供反向查找内存的结构指针位置，快速地回收内存。*/acpi_early_init(); /*这个函数是初始化ACPI电源管理。高级配置及电源接口(Advanced Configuration and Power Interface)ACPI规范介绍ACPI能使软、硬件、操作系统（OS），主机板和外围设备，依照一定的方式管理用电情况，系统硬件产生的Hot-Plug事件，让操作系统从用户的角度上直接支配即插即用设备，不同于以往直接通过基于BIOS 的方式的管理。*/
#ifdef CONFIG_X86if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))efi_enter_virtual_mode();
#endif
#ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64/* Should be run before the first non-init thread is created */init_espfix_bsp();
#endif /*初始化EFI的接口，并进入虚拟模式。EFI是ExtensibleFirmware Interface的缩写，就是INTEL公司新开发的BIOS接口。*/thread_info_cache_init(); /*线程信息(thread_info)的缓存初始化。*/cred_init(); /*任务信用系统初始化 */fork_init(totalram_pages); /*根据当前物理内存计算出来可以创建进程（线程）的最大数量，并进行进程环境初始化，为task_struct分配空间。*/proc_caches_init(); /*进程缓存初始化，为进程初始化创建机制所需的其他数据结构申请空间*/buffer_init(); /*初始化文件系统的缓冲区，并计算最大可以使用的文件缓存。*/key_init(); /*初始化内核安全键管理列表和结构，内核密钥管理系统*/security_init(); /*初始化内核安全管理框架，以便提供访问文件／登录等权限。*/dbg_late_init(); /*内核调试系统后期初始化 */vfs_caches_init(totalram_pages); /*虚拟文件系统进行缓存初始化，提高虚拟文件系统的访问速度*/signals_init(); /*初始化信号队列缓存。信号管理系统*//* rootfs populating might need page-writeback */page_writeback_init(); /*页面写机制初始化 */proc_root_init(); /*初始化系统进程文件系统，主要提供内核与用户进行交互的平台，方便用户实时查看进程的信息。*/cgroup_init(); /*进程控制组正式初始化，主要用来为进程和其子程提供性能控制。比如限定这组进程的CPU使用率为20％ */cpuset_init(); /*初始化CPUSET，CPUSET主要为控制组提供CPU和内存节点的管理的结构。*/taskstats_init_early(); /*任务状态早期初始化，为结构体获取高速缓存，并初始化互斥机制。任务状态主要向用户提供任务的状态信息。*/delayacct_init(); /*任务延迟机制初始化，初始化每个任务延时计数。当一个任务等CPU运行，或者等IO同步时，都需要计算等待时间。*/check_bugs(); /*检查CPU配置、FPU等是否非法使用不具备的功能，检查CPU BUG，软件规避BUG*/sfi_init_late(); /*SFI 初始程序晚期设置函数*/if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {efi_late_init();efi_free_boot_services();}ftrace_init(); /*功能跟踪调试机制初始化，初始化内核跟踪模块，ftrace的作用是帮助开发人员了解Linux 内核的运行时行为，以便进行故障调试或性能分析 function trace.*//* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */rest_init(); /*剩余的初始化，至此，内核已经开始工作了。在rest_init()中，有kernel_init()，通过调用run_init_process，产生了第一个用户态进程，1号进程，默认在根目录下。rest_init()中，cpu_starup_entry函数调用cpu_idle_loop使得init_task空闲为idle进程，即0号进程*/
}

该代码分析复制于如下博客
https://www.shiyanlou.com/courses/reports/982406
原文作者好厉害，我等弱鸡只有拜服

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