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。

1. asmlinkage__visiblevoid__initstart_kernel(void)
2. {
3. char*command_line;
4. char*after_dashes;
5.  
6. set_task_stack_end_magic(&init_task);
7. smp_setup_processor_id();
8. debug_objects_early_init();
9.  
10. cgroup_init_early();
11.  
12. local_irq_disable();
13. early_boot_irqs_disabled=true;
14. /*
15. *Interruptsarestilldisabled.Donecessarysetups,then
16. *enablethem.
17. */
18. boot_cpu_init();
19. page_address_init();
20. pr_notice("%s",linux_banner);
21. setup_arch(&command_line);
22. /*
23. *Setupthetheinitialcanaryandentropyafterarch
24. *andafteraddinglatentandcommandlineentropy.
25. */
26. add_latent_entropy();
27. add_device_randomness(command_line,strlen(command_line));
28. boot_init_stack_canary();
29. mm_init_cpumask(&init_mm);
30. setup_command_line(command_line);
31. setup_nr_cpu_ids();
32. setup_per_cpu_areas();
33. smp_prepare_boot_cpu();/*arch-specificboot-cpuhooks*/
34. boot_cpu_hotplug_init();
35.  
36. build_all_zonelists(NULL);
37. page_alloc_init();
38.  
39. pr_notice("Kernelcommandline:%s\n",boot_command_line);
40. /*parametersmaysetstatickeys*/
41. jump_label_init();
42. parse_early_param();
43. after_dashes=parse_args("Bootingkernel",
44. static_command_line,__start___param,
45. __stop___param-__start___param,
46. -1,-1,NULL,&unknown_bootoption);
47. if(!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
48. parse_args("Settinginitargs",after_dashes,NULL,0,-1,-1,
49. NULL,set_init_arg);
50. /*
51. *Theseuselargebootmemallocationsandmustprecede
52. *kmem_cache_init()
53. */
54. setup_log_buf(0);
55. pidhash_init();
56. vfs_caches_init_early();
57. sort_main_extable();
58. trap_init();
59. mm_init();
60.  
61. ftrace_init();
62.  
63. /*trace_printkcanbeenabledhere*/
64. early_trace_init();
65. /*
66. *Setuptheschedulerpriorstartinganyinterrupts(suchasthe
67. *timerinterrupt).Fulltopologysetuphappensatsmp_init()
68. *time-butmeanwhilewestillhaveafunctioningscheduler.
69. */
70. sched_init();
71. /*
72. *Disablepreemption-earlybootupschedulingisextremely
73. *fragileuntilwecpu_idle()forthefirsttime.
74. */
75. preempt_disable();
76. if(WARN(!irqs_disabled(),
77. "Interruptswereenabled*very*early,fixingit\n"))
78. local_irq_disable();
79. radix_tree_init();
80. /*
81. *Allowworkqueuecreationandworkitemqueueing/cancelling
82. *early.Workitemexecutiondependsonkthreadsandstartsafter
83. *workqueue_init().
84. */
85. workqueue_init_early();
86.  
87. rcu_init();
88.  
89. /*Traceeventsareavailableafterthis*/
90. trace_init();
91.  
92. context_tracking_init();
93. /*initsomelinksbeforeinit_ISA_irqs()*/
94. early_irq_init();
95. init_IRQ();
96. tick_init();
97. rcu_init_nohz();
98. init_timers();
99. hrtimers_init();
100. softirq_init();
101. timekeeping_init();
102. time_init();
103. sched_clock_postinit();
104. printk_safe_init();
105. perf_event_init();
106. profile_init();
107. call_function_init();
108. WARN(!irqs_disabled(),"Interruptswereenabledearly\n");
109. early_boot_irqs_disabled=false;
110. local_irq_enable();
111.  
112. kmem_cache_init_late();
113. /*
114. *HACKALERT!Thisisearly.We'reenablingtheconsolebefore
115. *we'vedonePCIsetupsetc,andconsole_init()mustbeawareof
116. *this.Butwedowantoutputearly,incasesomethinggoeswrong.
117. */
118. console_init();
119. if(panic_later)
120. panic("Toomanyboot%svarsat`%s'",panic_later,
121. panic_param);
122.  
123. lockdep_info();
124. /*
125. *Needtorunthiswhenirqsareenabled,becauseitwants
126. *toself-test[hard/soft]-irqson/offlockinversionbugs
127. *too:
128. */
129. locking_selftest();
130. /*
131. *ThisneedstobecalledbeforeanydevicesperformDMA
132. *operationsthatmightusetheSWIOTLBbouncebuffers.Itwill
133. *markthebouncebuffersasdecryptedsothattheirusagewill
134. *notcause"plain-text"datatobedecryptedwhenaccessed.
135. */
136. mem_encrypt_init();
137.  
138. #ifdefCONFIG_BLK_DEV_INITRD
139. if(initrd_start&&!initrd_below_start_ok&&
140. page_to_pfn(virt_to_page((void*)initrd_start))
141. pr_crit("initrdoverwritten(0x%08lx<0x%08lx)-disablingit.\n",
142. page_to_pfn(virt_to_page((void*)initrd_start)),
143. min_low_pfn);
144. initrd_start=0;
145. }
146. #endif
147. kmemleak_init();
148. debug_objects_mem_init();
149. setup_per_cpu_pageset();
150. numa_policy_init();
151. if(late_time_init)
152. late_time_init();
153. calibrate_delay();
154. pidmap_init();
155. anon_vma_init();
156. acpi_early_init();
157. #ifdefCONFIG_X86
158. if(efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))
159. efi_enter_virtual_mode();
160. #endif
161. thread_stack_cache_init();
162. cred_init();
163. fork_init();
164. proc_caches_init();
165. buffer_init();
166. key_init();
167. security_init();
168. dbg_late_init();
169. vfs_caches_init();
170. pagecache_init();
171. signals_init();
172. proc_root_init();
173. nsfs_init();
174. cpuset_init();
175. cgroup_init();
176. taskstats_init_early();
177. delayacct_init();
178.  
179. check_bugs();
180.  
181. acpi_subsystem_init();
182. arch_post_acpi_subsys_init();
183. sfi_init_late();
184.  
185. if(efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)){
186. efi_free_boot_services();
187. }
188. /*Dotherestnon-__init'ed,we'renowalive*/
189. rest_init();
190.  
191. prevent_tail_call_optimization();
192. }

其中有七个函数较为重要，分别为：

1. setup_arch(&command_line);
2.  
3. mm_init();
4.  
5. sched_init();
6.  
7. init_IRQ();
8.  
9. console_init();
10.  
11. vfs_caches_init();
12.  
13. 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