Linux 进程的出生

Linux 进程的出生

本文将以v3.10的Linux内核为例，讲述进程的出生。

Linux启动过程

Linux系统的启动过程可以分成如下图所示的5个阶段，

1. BIOS阶段

由 BIOS 作最初的引导工作，执行加电自检、初始化，读取引导设备的主引导扇区并执行。

2. MBR阶段

MBR存在于可启动磁盘的0磁道0扇区，占用512字节，它主要用来告诉计算机从选定的可启动设备的哪个分区来加载引导加载程序。

3. GRUB阶段

显示操作系统选择菜单，执行用户命令，载入选定的操作系统内核。

4. 内核初始化阶段

第一阶段：体系结构相关部分

主要是汇编语言，包括解压内核、开启分页、初始化中断向量表，完成 x86 体系结构的保护模式初始化。

第二阶段：体系结构无关部分

主要是C语言，包括核心数据结构初始化（start_kernel）和设备的初始化。

5. 用户态阶段

本文主要关注Linux中第一个用户态进程init是如何来的，所以只从内核初始化的第二个阶段开始分析。

第一个进程的出生

1. start_kernel函数(init/main.c)

首先我们来看下Linux内核初始化的第二阶段，这个阶段从start_kernel函数开始。start_kernel是所有Linux平台进入系统内核初始化后的入口函数，它主要完成剩余的与硬件平台相关的初始化工作，在进行一系列与内核相关的初始化后，调用第一个用户进程－ init 进程并等待用户进程的执行，这样整个 Linux内核便启动完毕。

start_kernel函数大致流程如下图所示。

asmlinkage void __init start_kernel(void)
{
    char * command_line;
    extern const struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];

    /*
     * Need to run as early as possible, to initialize the
     * lockdep hash:
     */
    lockdep_init();
    smp_setup_processor_id();
debug_objects_early_init();
……
    cgroup_init();
    cpuset_init();
    taskstats_init_early();
    delayacct_init();

    check_bugs();

    acpi_early_init(); /* before LAPIC and SMP init */
    sfi_init_late();

    if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {
        efi_late_init();
        efi_free_boot_services();
    }

    ftrace_init();

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

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2. rest_init()函数(init/main.c)

接着，我们看到start_kernel的后半步——rest_init。

static noinline void __init_refok rest_init(void)
{
    int pid;

    rcu_scheduler_starting();
    /*
     * 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.
     */
    kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);
    numa_default_policy();
    pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
    rcu_read_lock();
    kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
    rcu_read_unlock();
    complete(&kthreadd_done);

    /*
     * The boot idle thread must execute schedule()
     * at least once to get things moving:
     */
    init_idle_bootup_task(current);
    schedule_preempt_disabled();
    /* Call into cpu_idle with preempt disabled */
    cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
}

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如上图所示，主要可以分为三个部分：

1. rest_init中调用kernel_thread函数启动了2个内核线程，分别是：kernel_init和kthreadd

2. 调用schedule函数开启了内核的调度系统，从此linux系统开始转起来了。

3. rest_init最终调用cpu_startup_entry函数结束了整个内核的启动，它最终调用的是cpu_idle_loop()这个函数，你可以把它看成是一个idle函数，如果你继续看这个idle函数，他就是一个while循环（在V3.10内核这样）。

简单来说，linux内核最终的状态是：有事干的时候去执行有意义的工作（执行各个进程任务），实在没活干的时候就去死循环（实际上死循环也可以看成是一个任务）。

之前已经启动了内核调度系统，调度系统会负责考评系统中所有的进程，这些进程里面只有有哪个需要被运行，调度系统就会终止idle进程（空闲进程）转而去执行有意义的干活的进程。这样操作系统就转起来了.

3. 进程0、进程1、进程2

操作系统是用一个数字来表示/记录一个进程/线程的，这个数字就被称为这个进程的进程号。这个号码是从0开始分配的。因此这里涉及到的三个进程分别是linux系统的进程0、进程1、进程2.

在linux命令行下，使用ps命令可以查看当前linux系统中运行的进程情况。我们在ubuntu下ps -aux可以看到当前系统运行的所有进程，可以看出进程号是从1开始的。为什么不从0开始，因为进程0不是一个用户进程，而属于内核进程。

进程0：进程0其实就是刚才讲过的idle进程，叫空闲进程，也就是死循环。

进程1：kernel_init函数就是进程1，这个进程被称为init进程。

进程2：kthreadd函数就是进程2，这个进程是linux内核的守护进程。它的作用是管理调度其他内核进程这个进程是用来保证linux内核自己本身能正常工作的。

4. kernel_init

通过上面的铺垫，我们终于到达了Linux用户态进程的出生起点——init进程。

static int __ref kernel_init(void *unused)
{
    kernel_init_freeable();
    /* need to finish all async __init code before freeing the memory */
    async_synchronize_full();
    free_initmem();
    mark_rodata_ro();
    system_state = SYSTEM_RUNNING;
    numa_default_policy();

    flush_delayed_fput();

    if (ramdisk_execute_command) {
        if (!run_init_process(ramdisk_execute_command))
            return 0;
        pr_err("Failed to execute %s\n", ramdisk_execute_command);
    }

    /*
     * We try each of these until one succeeds.
     *
     * The Bourne shell can be used instead of init if we are
     * trying to recover a really broken machine.
     */
    if (execute_command) {
        if (!run_init_process(execute_command))
            return 0;
        pr_err("Failed to execute %s.  Attempting defaults...\n",
            execute_command);
    }
    if (!run_init_process("/sbin/init") ||
        !run_init_process("/etc/init") ||
        !run_init_process("/bin/init") ||
        !run_init_process("/bin/sh"))
        return 0;

    panic("No init found.  Try passing init= option to kernel. "
          "See Linux Documentation/init.txt for guidance.");
}

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如上图所示，内核先判断有没有传入的初始化参数，如果没有就用默认初始化程序，依次为/sbin/init、/etc/init、/bin/init、/bin/sh。如果这些程序还是无法启动，那么内核panic，启动失败。

4.1 Init 进程分析

需要注意的一点是这个进程刚开始运行的时候是内核态，是属于内核进程，然后它自己运行了一个用户态下面的程序后把自己强行转成了用户态，因为init进程自身完成了从内核态到用户态的过渡，所以后续的其他进程都可以工作在用户态下面了

4.2 Init 进程在内核态下做了什么

重要的点就挂载根文件系统，并试图找到用户态下的那个init程序。原因是init进程要完成从内核态到用户态的转变就必须去运行一个用户态的应用程序，而内核源代码中的程序都是属于内核态的，所以这个应用程序必须不属于内核源代码，这样才能保证自己是用户态，所以这个应用程序就的是由另外一份文件提供，即根文件系统

4.3 Init 进程在用户态下做了什么

init进程大部分有意义的工作都是在用户态下进行的，原因是用户态下的所有进程都是直接或者间接由init进程生成的。

4.4 如何从内核态跳跃到用户态？还能回来吗？

init进程在内核态下面时，通过调用do_execve函数来执行一个用户空间的应用程序就跳跃到了用户态下面了，需要注意的是，这个跳跃的过程进程号并没有改变还是进程1，并且这个跳跃是单向的，以后要从用户态回到内核态只有走中断/异常/系统调用。

进程的创建

Linux进程的创建主要有两条路径：fork类系统调用和clone类系统调用，他们本质上都是调用do_fork。

1. 系统调用fork、vfork（kernel/fork.c）

#ifdef __ARCH_WANT_SYS_FORK
SYSCALL_DEFINE0(fork)
{
#ifdef CONFIG_MMU
    return do_fork(SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL);
#else
    /* can not support in nommu mode */
    return(-EINVAL);
#endif
}
#endif

#ifdef __ARCH_WANT_SYS_VFORK
SYSCALL_DEFINE0(vfork)
{
    return do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0, 
            0, NULL, NULL);
}
#endif

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2. 系统调用clone（kernel/fork.c）

#ifdef __ARCH_WANT_SYS_CLONE
#ifdef CONFIG_CLONE_BACKWARDS
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
         int __user *, parent_tidptr,
         int, tls_val,
         int __user *, child_tidptr)
#elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS2)
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, newsp, unsigned long, clone_flags,
         int __user *, parent_tidptr,
         int __user *, child_tidptr,
         int, tls_val)
#else
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
         int __user *, parent_tidptr,
         int __user *, child_tidptr,
         int, tls_val)
#endif
{
    return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);
}
#endif

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3. do_fork

/*
 *  Ok, this is the main fork-routine.
 *
 * It copies the process, and if successful kick-starts
 * it and waits for it to finish using the VM if required.
 */
long do_fork(unsigned long clone_flags,
          unsigned long stack_start,
          unsigned long stack_size,
          int __user *parent_tidptr,
          int __user *child_tidptr)
{
    struct task_struct *p;
    int trace = 0;
    long nr;
    ……
    ……
    p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
             child_tidptr, NULL, trace);
    /*
     * Do this prior waking up the new thread - the thread pointer
     * might get invalid after that point, if the thread exits quickly.
     */
    if (!IS_ERR(p)) {
        struct completion vfork;
             trace_sched_process_fork(current, p);
        nr = task_pid_vnr(p);
         ……
        wake_up_new_task(p);
        ……
    } else {
        nr = PTR_ERR(p);
    }
    return nr;
}

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整个do_fork的过程可以分成三部分：

1. copy_process()给新进程分配struct task和thread info的变量。

2. 通过wake_up_new_task唤醒这个进程。

3. 返回进程pid号

参考

Linux系统下init进程的前世今生
linux2.4.18----26.由内核态切换到用户态
https://makelinux.github.io/kernel/map/
https://wiki.osdev.org/Main_Page
linux内核移植（七）rest_init函数分析