linux内核启动过程4：内核运行时

上一篇<<linux内核启动过程3：内核初始化阶段>>分析到了start_kernel执行流程，本篇继续内核切换到运行时状态。

内核运行时状态

内核初始化流程已经分析完成，如何保持内核进入运行时状态(不退出)，接下来分析跳过的函数arch_call_rest_init：

/* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */arch_call_rest_init();

进入arch_call_rest_init函数：

     rest_init();...struct task_struct *tsk;int pid;rcu_scheduler_starting();rcu_scheduler_active = RCU_SCHEDULER_RUNNING;/*#define RCU_SCHEDULER_INACTIVE  0#define RCU_SCHEDULER_INIT      1#define RCU_SCHEDULER_RUNNING   2
*/

rcu_scheduler_active设置为运行标志

     /** 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.*/pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);/* kernel_init ---- 设置内核抢占模式(如mm、rt、dl等初始化)，打开/dev/console，在释放内存之前，需要完成所有异步初始化代码，运行"/init"进程，运行/sbin/init、/etc/init、/bin/init、/bin/sh *//* system_state = SYSTEM_RUNNING; */

kernel_init这里最终运行/init、/sbin/init、/etc/init、/bin/init、/bin/sh(systemd安装包内，systemd --switched-root --system… 为(pid)1进程，用户空间进程基于父进程1)，进入kernel_thread函数：

/** Create a kernel thread.*/
pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags)
{struct kernel_clone_args args = {.flags          = ((lower_32_bits(flags) | CLONE_VM |CLONE_UNTRACED) & ~CSIGNAL),.exit_signal    = (lower_32_bits(flags) & CSIGNAL),.stack          = (unsigned long)fn,.stack_size     = (unsigned long)arg,};return _do_fork(&args);
}/*struct pid init_struct_pid = {.count          = REFCOUNT_INIT(1),.tasks          = {{ .first = NULL },{ .first = NULL },{ .first = NULL },},              .level          = 0, .numbers        = { {.nr             = 0,.ns             = &init_pid_ns,}, }};
*/

kernel_init这里创建的是0(pid)进程，从.numbers[0].nr得到init(pid)

     rcu_read_lock(); /* 主要执行禁止内核抢占 + raw_spin_lock，进入无填充(CD=1，NW=0)缓存模式并刷新缓存 ... cr0 = read_cr0() | X86_CR0_CD; write_cr0(cr0); ... */tsk = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns); /* 通过pid找到task_struct结构对象，通过idr机制 */set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpumask_of(smp_processor_id())); /* 启动CPU上的引脚初始化，用于初始化的CPU到非隔离CPU */rcu_read_unlock();/*  恢复抢占模式，取消读锁

找到通过pid找到task_struct结构对象，初始化CPU到非隔离CPU

     numa_default_policy();pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);//创建kthreadd，pid为2，内核层线程继承与它(它的子级共享进程)rcu_read_lock();kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);rcu_read_unlock();

创建kthreadd，pid为2，内核层相关线程继承与它

     system_state = SYSTEM_SCHEDULING;complete(&kthreadd_done);/** The boot idle thread must execute schedule()* at least once to get things moving:*/schedule_preempt_disabled();/* Call into cpu_idle with preempt disabled */cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);

kthreadd在内核运行期间不退出，进入cpu_startup_entry函数：

void cpu_startup_entry(enum cpuhp_state state)
{arch_cpu_idle_prepare();cpuhp_online_idle(state);while (1)do_idle();
}

进入do_idle函数：

static void do_idle(void)
{int cpu = smp_processor_id();/** If the arch has a polling bit, we maintain an invariant:** Our polling bit is clear if we're not scheduled (i.e. if rq->curr !=* rq->idle). This means that, if rq->idle has the polling bit set,* then setting need_resched is guaranteed to cause the CPU to* reschedule.*/// 只有所有进程空闲时，才可能调用到idle进程(pid 0)__current_set_polling();tick_nohz_idle_enter();while (!need_resched()) {  rmb();local_irq_disable();if (cpu_is_offline(cpu)) {tick_nohz_idle_stop_tick();cpuhp_report_idle_dead();arch_cpu_idle_dead();}arch_cpu_idle_enter();/** In poll mode we reenable interrupts and spin. Also if we* detected in the wakeup from idle path that the tick* broadcast device expired for us, we don't want to go deep* idle as we know that the IPI is going to arrive right away.*/if (cpu_idle_force_poll || tick_check_broadcast_expired()) {tick_nohz_idle_restart_tick();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();/** RCU relies on this call to be done outside of an RCU read-side* critical section.*/flush_smp_call_function_from_idle();schedule_idle();if (unlikely(klp_patch_pending(current)))klp_update_patch_state(current);
}

进入schedule_idle函数：

void __sched schedule_idle(void)
{/** As this skips calling sched_submit_work(), which the idle task does* regardless because that function is a nop when the task is in a* TASK_RUNNING state, make sure this isn't used someplace that the* current task can be in any other state. Note, idle is always in the* TASK_RUNNING state.*/WARN_ON_ONCE(current->state);do {__schedule(false);} while (need_resched());
}

在__schedule完成可执行进程到下一个可执行进程的切换，返回用户空间，cond_resched()从系统调用或异常返回到用户空间，schedule()从中断处理程序返回用户空间。

arch_call_rest_init函数初始化后：
1. 启动了(pid)0进程，执行/init启动应用服务(pid)1进程systemd(应用层父进程，systemd安装包中分析)；
2. 启动(pid)2进程kthreadd(内核层(线程)的父进程)。

其中(pid)0进程属于(pid)1进程和(pid)2进程的父进程，(pid)1进程为应用空间父进程，(pid)2进程为内核空间父进程。

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