从 start_kernel 到 /initLinux 3.18.6 内核启动跟踪课程《Linux内核原理与分析》**姓名**叶丁再**学号**20262809一、实验目标与调试方式本次实验使用 GDB 跟踪 Linux 内核从start_kernel()到 init 进程启动的过程并结合源码理解启动早期的初始化、idle 进程和 PID 1 的来历。实验内核版本为 Linux 3.18.6。普通启动时我在实验楼虚拟机执行cd ~/LinuxKernel/ qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img截图中可以看到内核启动后进入MenuOS说明普通启动路径最终运行了 initrd 中提供的用户态菜单程序。图1 普通启动后出现 MenuOS 命令提示符。调试时QEMU 使用-s -S暂停 CPU 并开放 GDB 远程调试端口另一个 shell 中加载同版本的vmlinux符号表、连接远程目标并设置断点qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage \ -initrd rootfs.img -s -S(gdb) file linux-3.18.6/vmlinux (gdb) target remote :1234 (gdb) break start_kernel (gdb) continue-S让模拟 CPU 在启动时保持暂停-s使用默认的tcp::1234GDB 端口。file加载符号信息target remote连接 QEMUcontinue才让内核继续执行到断点。图2 GDB 已加载vmlinux符号并连接 QEMU 远程调试端口。二、start_kernel()建立内核运行所需的基础环境GDB 在init/main.c:501命中start_kernel()。调用栈显示其上一层是i386_start_kernel()说明体系结构启动代码把控制权交给通用内核启动入口。图3start_kernel()断点命中调用栈回溯到 x86 启动入口并设置后续跟踪断点。结合 Linux 3.18.6 的init/main.cstart_kernel()可按职责分成几个阶段**准备早期内核状态。**函数开始执行锁依赖跟踪初始化、初始任务栈边界标记、处理器编号和早期调试对象初始化并建立启动栈保护值、早期 cgroup 状态。**完成体系结构和启动参数设置。**内核先关闭本地中断再初始化启动 CPU、页地址机制调用setup_arch()获取启动命令行之后建立命令行副本、per-CPU 区域和启动 CPU 状态并解析早期参数及普通内核参数。**建立内存、异常和调度基础。**源码依次初始化日志缓冲区、PID 哈希、早期 VFS 缓存、异常表、陷阱和内存管理。sched_init()建立调度器基础随后初始化 RCU、早期中断、IRQ、时钟 tick、定时器、软中断和 timekeeping 等机制。**打开中断并准备控制台及其余子系统。**在关键早期结构准备完成后代码清除“早期中断关闭”状态并打开本地中断再初始化控制台、检查 initrd 地址和继续初始化进程管理、VFS、proc、cgroup 等设施。**转入创建初始内核线程的阶段。**完成架构和通用子系统初始化后start_kernel()最后调用rest_init()。GDB 的调用栈显示该调用位于start_kernel()的第 680 行与所用 Linux 3.18.6 源码一致。这些初始化并非“把所有服务都启动完”。它们为后续调度、创建内核线程、挂载根文件系统以及启动用户态 init 建立必要条件。具体函数顺序以上游 Linux 3.18.6init/main.c为准。三、从rest_init()到 PID 1GDB 在rest_init()断点停下时回溯栈显示它由start_kernel()调用。源码中的关键步骤是先执行kernel_thread(kernel_init, ...)再创建kthreadd之后标记并调度启动时的 idle 任务。图4rest_init()断点和调用栈调用者是start_kernel()。源码注释解释了创建顺序先创建 init使它取得 PID 1随后再创建kthreadd并通过完成量kthreadd_done通知 init 可以继续。因此kernel_init()对应的内核线程成为 PID 1。GDB 随后在kernel_init()断点命中调用栈显示它由ret_from_kernel_thread()返回进入。图5 GDB 命中kernel_init()并显示其内核线程调用路径。idle 进程从哪里来启动早期已经存在一个静态的初始任务init_task。start_kernel()在这个初始任务上下文中运行它不是由rest_init()新建出来的普通任务。Linux 为这个启动任务保留 PID 0。rest_init()中的init_idle_bootup_task(current)和后续调度调用把当前启动任务作为 boot idle 任务处理当它不再执行其他初始化工作时会进入cpu_startup_entry()的 idle 循环。因此可以把 idle 进程理解为内核启动所依托的初始任务PID 0 并不是后来通过创建 PID 1 的同一条路径产生的。PID 1 怎样变成用户态 initGDB 在kernel_init_freeable()停下时源码位置是等待kthreadd_done的完成量。这保证 PID 1 的内核线程等到kthreadd建立好后再继续做可阻塞初始化、SMP 初始化和基本子系统设置。图6kernel_init_freeable()等待kthreadd_done。之后kernel_init()检查 initrd 中的 init 路径。GDB 命中run_init_process(init_filename/init)调用栈显示该函数由kernel_init()调用源码将/init放入初始参数并通过do_execve()发起执行。这是 PID 1 从内核线程转入用户态 init 程序的关键交接点。执行execve会替换进程映像但保留该进程的 PID。图7 GDB 停在run_init_process(/init)可以看到调用栈和do_execve()。四、证据说明与启动链总结本次 GDB 截图实际记录了start_kernel()、rest_init()、kernel_init()、kernel_init_freeable()和run_init_process(/init)等节点普通 QEMU 启动截图记录了MenuOS。current在 GDB 中无法直接解析是因为调试器没有把内核宏current当作普通符号识别这不代表启动失败。分析 PID 时应结合rest_init()的任务创建顺序、函数调用栈和源码而不是依赖这条宏表达式。从启动过程看内核首先在 PID 0 的初始任务上下文中完成start_kernel()的全局初始化rest_init()创建 PID 1 的kernel_init和内核线程管理者kthreadd并让 idle 任务进入调度PID 1 完成剩余初始化后通过run_init_process()执行 initrd 中的/init最终启动用户空间程序。也就是说Linux 启动不是从一个已经存在的用户进程开始而是由内核逐层搭建运行环境再创建并交接给第一个用户态进程。**证据范围**现有 GDB 截图停在调用/init的do_execve()之前MenuOS来自普通启动截图。若要展示同一次 GDB 调试会话从断点继续到菜单提示符还可以在该断点输入continue后补一张 QEMU 截图。参考资料与课程声明Linux 3.18.6 源码init/main.c《Linux内核原理与分析》MOOC 课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000MenuOS 课程项目GitHub - mengning/menu: cmdline menu libary · GitHub叶丁再20262809。原创作品转载请注明出处《Linux内核分析》MOOC 课程 http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000。