小知识：手把手教你分析 Linux 启动流程

下载 Linux 内核网址：

https://www.kernel.org/

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。

在线查看 Linux 内核源码网址：

https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source

在线查看 Android 源码：

http://androidxref.com/

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：

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__visiblevoid__initstart_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; /* *Interruptsarestilldisabled.Donecessarysetups,then *enablethem. */ boot_cpu_init(); page_address_init(); pr_notice(“%s”,linux_banner); setup_arch(&command_line); /* *Setupthetheinitialcanaryandentropyafterarch *andafteraddinglatentandcommandlineentropy. */ 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-specificboot-cpuhooks*/ boot_cpu_hotplug_init(); build_all_zonelists(NULL); page_alloc_init(); pr_notice(“Kernelcommandline:%s\n”,boot_command_line); /*parametersmaysetstatickeys*/ jump_label_init(); parse_early_param(); after_dashes=parse_args(“Bootingkernel”, static_command_line,__start___param, __stop___param-__start___param, -1,-1,NULL,&unknown_bootoption); if(!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes)) parse_args(“Settinginitargs”,after_dashes,NULL,0,-1,-1, NULL,set_init_arg); /* *Theseuselargebootmemallocationsandmustprecede *kmem_cache_init() */ setup_log_buf(0); pidhash_init(); vfs_caches_init_early(); sort_main_extable(); trap_init(); mm_init(); ftrace_init(); /*trace_printkcanbeenabledhere*/ early_trace_init(); /* *Setuptheschedulerpriorstartinganyinterrupts(suchasthe *timerinterrupt).Fulltopologysetuphappensatsmp_init() *time-butmeanwhilewestillhaveafunctioningscheduler. */ sched_init(); /* *Disablepreemption-earlybootupschedulingisextremely *fragileuntilwecpu_idle()forthefirsttime. */ preempt_disable(); if(WARN(!irqs_disabled(), “Interruptswereenabled*very*early,fixingit\n”)) local_irq_disable(); radix_tree_init(); /* *Allowworkqueuecreationandworkitemqueueing/cancelling *early.Workitemexecutiondependsonkthreadsandstartsafter *workqueue_init(). */ workqueue_init_early(); rcu_init(); /*Traceeventsareavailableafterthis*/ trace_init(); context_tracking_init(); /*initsomelinksbeforeinit_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(),“Interruptswereenabledearly\n”); early_boot_irqs_disabled=false; local_irq_enable(); kmem_cache_init_late(); /* *HACKALERT!Thisisearly.Wereenablingtheconsolebefore *wevedonePCIsetupsetc,andconsole_init()mustbeawareof *this.Butwedowantoutputearly,incasesomethinggoeswrong. */ console_init(); if(panic_later) panic(“Toomanyboot%svarsat`%s”,panic_later, panic_param); lockdep_info(); /* *Needtorunthiswhenirqsareenabled,becauseitwants *toself-test[hard/soft]-irqson/offlockinversionbugs *too: */ locking_selftest(); /* *ThisneedstobecalledbeforeanydevicesperformDMA *operationsthatmightusetheSWIOTLBbouncebuffers.Itwill *markthebouncebuffersasdecryptedsothattheirusagewill *notcause“plain-text”datatobedecryptedwhenaccessed. */ mem_encrypt_init(); #ifdefCONFIG_BLK_DEV_INITRD if(initrd_start&&!initrd_below_start_ok&& page_to_pfn(virt_to_page((void*)initrd_start)) pr_crit(“initrdoverwritten(0x%08lx<0x%08lx)-disablingit.\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(); #ifdefCONFIG_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(); } /*Dotherestnon-__inited,werenowalive*/ 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

2、mm_init

内存初始化函数

linux4.14/init/main.c

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

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

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

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

这里的挂载主要在mnt_init()函数中：

linux4.14/fs/namespace.c

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

上图，400 行创建了 kernel_init 进程，412 行创建了 kthreadd 进程，这两个都是内核进程。426 行通知 kernel_init 进程 kthreadd 已经创建完毕。也就是说，实际上是 kthreadd 先运行，kernel_init 再运行。

其余的函数大家可以参照下面的文章去理解：

https://www.cnblogs.com/andyfly/p/9410441.html

https://www.cnblogs.com/lifexy/p/7366782.html

https://www.cnblogs.com/yanzs/p/13910344.html#radix_tree:init

本文转载自微信公众号「嵌入式Linux系统开发」

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/HvkqcB9EQGvBDKzrOw4vhA