14 KiB
08 | 内核初始化：生意做大了就得成立公司
上一节，你获得了一本《企业经营宝典》，完成了一件大事，切换到了老板角色，从实模式切换到了保护模式。有了更强的寻址能力，接下来，我们就要按照宝典里面的指引，开始经营企业了。
内核的启动从入口函数start_kernel()开始。在init/main.c文件中，start_kernel相当于内核的main函数。打开这个函数，你会发现，里面是各种各样初始化函数XXXX_init。
初始化公司职能部门
于是，公司要开始建立各种职能部门了。
首先是项目管理部门。咱们将来肯定要接各种各样的项目，因此，项目管理体系和项目管理流程首先要建立起来。之前讲的创建项目都是复制老项目，现在咱们需要有第一个全新的项目。这个项目需要你这个老板来打个样。
在操作系统里面，先要有个创始进程，有一行指令set_task_stack_end_magic(&init_task)。这里面有一个参数init_task，它的定义是struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task)。它是系统创建的第一个进程，我们称为0号进程。这是唯一一个没有通过fork或者kernel_thread产生的进程，是进程列表的第一个。
所谓进程列表（Process List），就是咱们前面说的项目管理工具，里面列着我们所有接的项目。
第二个要初始化的就是办事大厅。有了办事大厅，我们就可以响应客户的需求。
这里面对应的函数是trap_init()，里面设置了很多中断门（Interrupt Gate），用于处理各种中断。其中有一个set_system_intr_gate(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_32)，这是系统调用的中断门。系统调用也是通过发送中断的方式进行的。当然，64位的有另外的系统调用方法，这一点我们放到后面的系统调用章节详细谈。
接下来要初始化的是咱们的会议室管理系统。对应的，mm_init()就是用来初始化内存管理模块。
项目需要项目管理进行调度，需要执行一定的调度策略。sched_init()就是用于初始化调度模块。
vfs_caches_init()会用来初始化基于内存的文件系统rootfs。在这个函数里面，会调用mnt_init()->init_rootfs()。这里面有一行代码，register_filesystem(&rootfs_fs_type)。在VFS虚拟文件系统里面注册了一种类型，我们定义为struct file_system_type rootfs_fs_type。
文件系统是我们的项目资料库，为了兼容各种各样的文件系统，我们需要将文件的相关数据结构和操作抽象出来，形成一个抽象层对上提供统一的接口，这个抽象层就是VFS（Virtual File System），虚拟文件系统。
这里的rootfs还有其他用处，下面我们会用到。
最后，start_kernel()调用的是rest_init()，用来做其他方面的初始化，这里面做了好多的工作。
初始化1号进程
rest_init的第一大工作是，用kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS)创建第二个进程，这个是1号进程。
1号进程对于操作系统来讲，有“划时代”的意义。因为它将运行一个用户进程，这意味着这个公司把一个老板独立完成的制度，变成了可以交付他人完成的制度。这个1号进程就相当于老板带了一个大徒弟，有了第一个，就有第二个，后面大徒弟开枝散叶，带了很多徒弟，形成一棵进程树。
一旦有了用户进程，公司的运行模式就要发生一定的变化。因为原来你是老板，没有雇佣其他人，所有东西都是你的，无论多么关键的资源，第一，不会有人给你抢，第二，不会有人恶意破坏、恶意使用。
但是现在有了其他人，你就要开始做一定的区分，哪些是核心资源，哪些是非核心资源；办公区也要分开，有普通的项目人员都能访问的项目工作区，还有职业核心人员能够访问的核心保密区。
好在x86提供了分层的权限机制，把区域分成了四个Ring，越往里权限越高，越往外权限越低。
操作系统很好地利用了这个机制，将能够访问关键资源的代码放在Ring0，我们称为内核态（Kernel Mode）；将普通的程序代码放在Ring3，我们称为用户态（User Mode）。
你别忘了，现在咱们的系统已经处于保护模式了，保护模式除了可访问空间大一些，还有另一个重要功能，就是“保护”，也就是说，当处于用户态的代码想要执行更高权限的指令，这种行为是被禁止的，要防止他们为所欲为。
如果用户态的代码想要访问核心资源，怎么办呢？咱们不是有提供系统调用的办事大厅吗？这里是统一的入口，用户态代码在这里请求就是了。办事大厅后面就是内核态，用户态代码不用管后面发生了什么，做完了返回结果就可以了。
当一个用户态的程序运行到一半，要访问一个核心资源，例如访问网卡发一个网络包，就需要暂停当前的运行，调用系统调用，接下来就轮到内核中的代码运行了。
首先，内核将从系统调用传过来的包，在网卡上排队，轮到的时候就发送。发送完了，系统调用就结束了，返回用户态，让暂停运行的程序接着运行。
这个暂停怎么实现呢？其实就是把程序运行到一半的情况保存下来。例如，我们知道，内存是用来保存程序运行时候的中间结果的，现在要暂时停下来，这些中间结果不能丢，因为再次运行的时候，还要基于这些中间结果接着来。另外就是，当前运行到代码的哪一行了，当前的栈在哪里，这些都是在寄存器里面的。
所以，暂停的那一刻，要把当时CPU的寄存器的值全部暂存到一个地方，这个地方可以放在进程管理系统很容易获取的地方。在后面讨论进程管理数据结构的时候，我们还会详细讲。当系统调用完毕，返回的时候，再从这个地方将寄存器的值恢复回去，就能接着运行了。
这个过程就是这样的：用户态-系统调用-保存寄存器-内核态执行系统调用-恢复寄存器-返回用户态，然后接着运行。
从内核态到用户态
我们再回到1号进程启动的过程。当前执行kernel_thread这个函数的时候，我们还在内核态，现在我们就来跨越这道屏障，到用户态去运行一个程序。这该怎么办呢？很少听说“先内核态再用户态”的。
kernel_thread的参数是一个函数kernel_init，也就是这个进程会运行这个函数。在kernel_init里面，会调用kernel_init_freeable()，里面有这样的代码：
if (!ramdisk_execute_command)
ramdisk_execute_command = "/init";
先不管ramdisk是啥，我们回到kernel_init里面。这里面有这样的代码块：
if (ramdisk_execute_command) {
ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);
......
}
......
if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||
!try_to_run_init_process("/etc/init") ||
!try_to_run_init_process("/bin/init") ||
!try_to_run_init_process("/bin/sh"))
return 0;
这就说明，1号进程运行的是一个文件。如果我们打开run_init_process函数，会发现它调用的是do_execve。
这个名字是不是看起来很熟悉？前面讲系统调用的时候，execve是一个系统调用，它的作用是运行一个执行文件。加一个do_的往往是内核系统调用的实现。没错，这就是一个系统调用，它会尝试运行ramdisk的“/init”，或者普通文件系统上的“/sbin/init”“/etc/init”“/bin/init”“/bin/sh”。不同版本的Linux会选择不同的文件启动，但是只要有一个起来了就可以。
static int run_init_process(const char *init_filename)
{
argv_init[0] = init_filename;
return do_execve(getname_kernel(init_filename),
(const char __user *const __user *)argv_init,
(const char __user *const __user *)envp_init);
}
如何利用执行init文件的机会，从内核态回到用户态呢？
我们从系统调用的过程可以得到启发，“用户态-系统调用-保存寄存器-内核态执行系统调用-恢复寄存器-返回用户态”，然后接着运行。而咱们刚才运行init，是调用do_execve，正是上面的过程的后半部分，从内核态执行系统调用开始。
do_execve->do_execveat_common->exec_binprm->search_binary_handler，这里面会调用这段内容：
int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm)
{
......
struct linux_binfmt *fmt;
......
retval = fmt->load_binary(bprm);
......
}
也就是说，我要运行一个程序，需要加载这个二进制文件，这就是我们常说的项目执行计划书。它是有一定格式的。Linux下一个常用的格式是ELF（Executable and Linkable Format，可执行与可链接格式）。于是我们就有了下面这个定义：
static struct linux_binfmt elf_format = {
.module = THIS_MODULE,
.load_binary = load_elf_binary,
.load_shlib = load_elf_library,
.core_dump = elf_core_dump,
.min_coredump = ELF_EXEC_PAGESIZE,
};
这其实就是先调用load_elf_binary，最后调用start_thread。
void
start_thread(struct pt_regs *regs, unsigned long new_ip, unsigned long new_sp)
{
set_user_gs(regs, 0);
regs->fs = 0;
regs->ds = __USER_DS;
regs->es = __USER_DS;
regs->ss = __USER_DS;
regs->cs = __USER_CS;
regs->ip = new_ip;
regs->sp = new_sp;
regs->flags = X86_EFLAGS_IF;
force_iret();
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(start_thread);
看到这里，你是不是有点感觉了？struct pt_regs，看名字里的register，就是寄存器啊！这个结构就是在系统调用的时候，内核中保存用户态运行上下文的，里面将用户态的代码段CS设置为__USER_CS，将用户态的数据段DS设置为__USER_DS，以及指令指针寄存器IP、栈指针寄存器SP。这里相当于补上了原来系统调用里，保存寄存器的一个步骤。
最后的iret是干什么的呢？它是用于从系统调用中返回。这个时候会恢复寄存器。从哪里恢复呢？按说是从进入系统调用的时候，保存的寄存器里面拿出。好在上面的函数补上了寄存器。CS和指令指针寄存器IP恢复了，指向用户态下一个要执行的语句。DS和函数栈指针SP也被恢复了，指向用户态函数栈的栈顶。所以，下一条指令，就从用户态开始运行了。
ramdisk的作用
init终于从内核到用户态了。一开始到用户态的是ramdisk的init，后来会启动真正根文件系统上的init，成为所有用户态进程的祖先。
为什么会有ramdisk这个东西呢？还记得上一节咱们内核启动的时候，配置过这个参数：
initrd16 /boot/initramfs-3.10.0-862.el7.x86_64.img
就是这个东西，这是一个基于内存的文件系统。为啥会有这个呢？
是因为刚才那个init程序是在文件系统上的，文件系统一定是在一个存储设备上的，例如硬盘。Linux访问存储设备，要有驱动才能访问。如果存储系统数目很有限，那驱动可以直接放到内核里面，反正前面我们加载过内核到内存里了，现在可以直接对存储系统进行访问。
但是存储系统越来越多了，如果所有市面上的存储系统的驱动都默认放进内核，内核就太大了。这该怎么办呢？
我们只好先弄一个基于内存的文件系统。内存访问是不需要驱动的，这个就是ramdisk。这个时候，ramdisk是根文件系统。
然后，我们开始运行ramdisk上的/init。等它运行完了就已经在用户态了。/init这个程序会先根据存储系统的类型加载驱动，有了驱动就可以设置真正的根文件系统了。有了真正的根文件系统，ramdisk上的/init会启动文件系统上的init。
接下来就是各种系统的初始化。启动系统的服务，启动控制台，用户就可以登录进来了。
先别忙着高兴，rest_init的第一个大事情才完成。我们仅仅形成了用户态所有进程的祖先。
创建2号进程
用户态的所有进程都有大师兄了，那内核态的进程有没有一个人统一管起来呢？有的，rest_init第二大事情就是第三个进程，就是2号进程。
kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES)又一次使用kernel_thread函数创建进程。这里需要指出一点，函数名thread可以翻译成“线程”，这也是操作系统很重要的一个概念。它和进程有什么区别呢？为什么这里创建的是进程，函数名却是线程呢？
从用户态来看，创建进程其实就是立项，也就是启动一个项目。这个项目包含很多资源，例如会议室、资料库等。这些东西都属于这个项目，但是这个项目需要人去执行。有多个人并行执行不同的部分，这就叫多线程（Multithreading）。如果只有一个人，那它就是这个项目的主线程。
但是从内核态来看，无论是进程，还是线程，我们都可以统称为任务（Task），都使用相同的数据结构，平放在同一个链表中。这些在进程的那一章节，我会更加详细地讲。
这里的函数kthreadd，负责所有内核态的线程的调度和管理，是内核态所有线程运行的祖先。
这下好了，用户态和内核态都有人管了，可以开始接项目了。
总结时刻
这一节，我们讲了内核的初始化过程，主要做了以下几件事情：
-
各个职能部门的创建；
-
用户态祖先进程的创建；
-
内核态祖先进程的创建。
咱们还是用一个图来总结一下这个过程。
课堂练习
这一节，我们看到内核创建了一些进程，这些进程都是放在一个列表中的，请你研读内核代码，看看这个列表是如何实现的。
欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎你收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习、进步。