Linux下1号进程的前世(kernel_init)今生(init进程)----Linux进程的管理与调度(六)

时间:2022-01-07 15:48:41
日期 内核版本 架构 作者 GitHub CSDN
2016-05-29 Linux-4.5 X86 & arm gatieme LinuxDeviceDrivers Linux进程管理与调度-之-进程的创建

前言


Linux下有3个特殊的进程,idle进程( PID=0 ), init进程( PID=1 )和kthreadd( PID=2 )


* idle进程由系统自动创建, 运行在内核态

idle进程其pid=0,其前身是系统创建的第一个进程,也是唯一一个没有通过fork或者kernel_thread产生的进程。完成加载系统后,演变为进程调度、交换


* init进程由idle通过kernel_thread创建,在内核空间完成初始化后, 加载init程序, 并最终用户空间

由0进程创建,完成系统的初始化. 是系统中所有其它用户进程的祖先进程
Linux中的所有进程都是有init进程创建并运行的。首先Linux内核启动,然后在用户空间中启动init进程,再启动其他系统进程。在系统启动完成完成后,init将变为守护进程监视系统其他进程。


* kthreadd进程由idle通过kernel_thread创建,并始终运行在内核空间, 负责所有内核线程的调度和管理

它的任务就是管理和调度其他内核线程kernel_thread, 会循环执行一个kthread的函数,该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread, 当我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入到此链表中,因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程

我们下面就详解分析1号进程的前世(kernel_init)今生(init进程)

Linux系统中的init进程(pid=1)是除了idle进程(pid=0,也就是init_task)之外另一个比较特殊的进程,它是Linux内核开始建立起进程概念时第一个通过kernel_thread产生的进程,其开始在内核态执行,然后通过一个系统调用,开始执行用户空间的/sbin/init程序,期间Linux内核也经历了从内核态到用户态的特权级转变,/sbin/init极有可能产生出了shell,然后所有的用户进程都有该进程派生出来

1号进程


前面我们了解到了0号进程是系统所有进程的先祖, 它的进程描述符init_task是内核静态创建的, 而它在进行初始化的时候, 通过kernel_thread的方式创建了两个内核线程,分别是kernel_init和kthreadd,其中kernel_init进程号为1

start_kernel在其最后一个函数rest_init的调用中,会通过kernel_thread来生成一个内核进程,后者则会在新进程环境下调 用kernel_init函数,kernel_init一个让人感兴趣的地方在于它会调用run_init_process来执行根文件系统下的 /sbin/init等程序:

kernel_init


0号进程创建1号进程的方式如下

kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);

我们发现1号进程的执行函数就是kernel_init, 这个函数被定义init/main.c中,如下所示

kernel_init函数将完成设备驱动程序的初始化,并调用init_post函数启动用户空间的init进程。

由0号进程创建1号进程(内核态),1号内核线程负责执行内核的部分初始化工作及进行系统配置,并创建若干个用于高速缓存和虚拟主存管理的内核线程。

init进程


随后,1号进程调用do_execve运行可执行程序init,并演变成用户态1号进程,即init进程。

init进程是linux内核启动的第一个用户级进程。init有许多很重要的任务,比如像启动getty(用于用户登录)、实现运行级别、以及处理孤立进程。

它按照配置文件/etc/initab的要求,完成系统启动工作,创建编号为1号、2号…的若干终端注册进程getty。

每个getty进程设置其进程组标识号,并监视配置到系统终端的接口线路。当检测到来自终端的连接信号时,getty进程将通过函数do_execve()执行注册程序login,此时用户就可输入注册名和密码进入登录过程,如果成功,由login程序再通过函数execv()执行shell,该shell进程接收getty进程的pid,取代原来的getty进程。再由shell直接或间接地产生其他进程。

上述过程可描述为:0号进程->1号内核进程->1号用户进程(init进程)->getty进程->shell进程

注意,上述过程描述中提到:1号内核进程调用执行init函数并演变成1号用户态进程(init进程),这里前者是init是函数,后者是进程。两者容易混淆,区别如下:

  1. kernel_init函数在内核态运行,是内核代码

  2. init进程是内核启动并运行的第一个用户进程,运行在用户态下。

  3. 一号内核进程调用execve()从文件/etc/inittab中加载可执行程序init并执行,这个过程并没有使用调用do_fork(),因此两个进程都是1号进程。

当内核启动了自己之后(已被装入内存、已经开始运行、已经初始化了所有的设备驱动程序和数据结构等等),通过启动用户级程序init来完成引导进程的内核部分。因此,init总是第一个进程(它的进程号总是1)。

当init开始运行,它通过执行一些管理任务来结束引导进程,例如检查文件系统、清理/tmp、启动各种服务以及为每个终端和虚拟控制台启动getty,在这些地方用户将登录系统。

在系统完全起来之后,init为每个用户已退出的终端重启getty(这样下一个用户就可以登录)。init同样也收集孤立的进程:当一个进程启动了一个子进程并且在子进程之前终止了,这个子进程立刻成为init的子进程。对于各种技术方面的原因来说这是很重要的,知道这些也是有好处的,因为这便于理解进程列表和进程树图。init的变种很少。绝大多数Linux发行版本使用sysinit(由Miguel van Smoorenburg著),它是基于System V的init设计。UNIX的BSD版本有一个不同的init。最主要的不同在于运行级别:System V有而BSD没有(至少是传统上说)。这种区别并不是主要的。在此我们仅讨论sysvinit。 配置init以启动getty:/etc/inittab文件

关于init程序


1号进程通过execve执行init程序来进入用户空间,成为init进程,那么这个init在哪里呢

内核在几个位置上来查寻init,这几个位置以前常用来放置init,但是init的最适当的位置(在Linux系统上)是/sbin/init。如果内核没有找到init,它就会试着运行/bin/sh,如果还是失败了,那么系统的启动就宣告失败了。

因此init程序是一个可以又用户编写的进程, 如果希望看init程序源码的朋友,可以参见

init包 说明 学习链接
sysvinit 早期一些版本使用的初始化进程工具, 目前在逐渐淡出linux历史舞台, sysvinit 就是 system V 风格的 init 系统,顾名思义,它源于 System V 系列 UNIX。它提供了比 BSD 风格 init 系统更高的灵活性。是已经风行了几十年的 UNIX init 系统,一直被各类 Linux 发行版所采用。 浅析 Linux 初始化 init 系统(1):sysvinit
upstart debian, Ubuntu等系统使用的initdaemon 浅析 Linux 初始化 init 系统(2): UpStart
systemd Systemd 是 Linux 系统中最新的初始化系统(init),它主要的设计目标是克服 sysvinit 固有的缺点,提高系统的启动速度 浅析 Linux 初始化 init 系统(3) Systemd

Ubuntu等使用deb包的系统可以通过dpkg -S查看程序所在的包

Linux下1号进程的前世(kernel_init)今生(init进程)----Linux进程的管理与调度(六)

CentOS等使用rpm包的系统可以通过rpm -qf查看系统程序所在的包

Linux下1号进程的前世(kernel_init)今生(init进程)----Linux进程的管理与调度(六)

Linux下1号进程的前世(kernel_init)今生(init进程)----Linux进程的管理与调度(六)

参见

Linux下查看并下载命令源码包(根据命令/应用程序逆向获取并且安装其所属源码包)

附录


kernel_init_freeable流程分析


static noinline void __init kernel_init_freeable(void)
{
/*
* Wait until kthreadd is all set-up.
*/

wait_for_completion(&kthreadd_done);

/* Now the scheduler is fully set up and can do blocking allocations */
gfp_allowed_mask = __GFP_BITS_MASK;

/*
* init can allocate pages on any node
*/

set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);
/*
* init can run on any cpu.
*/

set_cpus_allowed_ptr(current, cpu_all_mask);

cad_pid = task_pid(current);

smp_prepare_cpus(setup_max_cpus);

do_pre_smp_initcalls();
lockup_detector_init();

smp_init();
sched_init_smp();

page_alloc_init_late();

do_basic_setup();

/* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */
if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)
pr_err("Warning: unable to open an initial console.\n");

(void) sys_dup(0);
(void) sys_dup(0);
/*
* check if there is an early userspace init. If yes, let it do all
* the work
*/


if (!ramdisk_execute_command)
ramdisk_execute_command = "/init";

if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {
ramdisk_execute_command = NULL;
prepare_namespace();
}

/*
* Ok, we have completed the initial bootup, and
* we're essentially up and running. Get rid of the
* initmem segments and start the user-mode stuff..
*
* rootfs is available now, try loading the public keys
* and default modules
*/


integrity_load_keys();
load_default_modules();
}
执行流程 说明
wait_for_completion 实例在kernel/sched/completion.c中, 等待Kernel Thread kthreadd (PID=2)创建完毕
gfp_allowed_mask __GFP_BITS_MASK;设置bitmask, 使得init进程可以使用PM并且允许I/O阻塞操作
set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]); init进程可以分配物理页面
set_cpus_allowed_ptr 通过设置cpu_bit_mask, 可以限定task只能在特定的处理器上运行, 而initcurrent进程此时必然是init进程,设置其cpu_all_mask即使得init进程可以在任意的cpu上运行
task_pid 设置到目前运行进程init的pid号给cad_pid(cad_pid是用来接收ctrl-alt-del reboot signal的进程, 如果设置C_A_D=1就表示可以处理来自ctl-alt-del的动作), 最后会调用 ctrl_alt_del(void)并确认C_A_D是否为1,确认完成后将执行cad_work=deferred_cad,执行kernel_restart
smp_prepare_cpus 体系结构相关的函数,实例在arch/arm/kernel/smp.c中,调用smp_prepare_cpus时,会以全局变量setup_max_cpus为函式参数max_cpus,以表示在编译核心时,设定支援的最大CPU数量
do_pre_smp_initcalls 实例在init/main.c中, 会透过函式do_one_initcall,执行Symbol中 __initcall_start与__early_initcall_end之间的函数
smp_init 实例在kernel/smp.c中, 函数主要是由Bootstrap处理器,进行Active多核心架构下其它的处理器. 如果发生Online的处理器个数(from num_online_cpus)超过在核心编译时,所设定的最大处理器个数 setup_max_cpus (from NR_CPUS),就会终止流程.如果该处理器目前属於Present (也就是存在系统中),但尚未是Online的状态,就会呼叫函式cpu_up(in kernel/cpu.c)来啟动该处理器.
sched_init_smp 实例在kernel/sched.c中, (1), 呼叫get_online_cpus,如果目前CPU Hotplug Active Write行程是自己,就直接返回.反之就把 cpu_hotplug.refcount加1 (表示多一个Reader)
(2),取得Mutex Lock “sched_domains_mutex”
(3),呼叫arch_init_sched_domains,设定scheduler domains与groups,参考Linux Documentation/scheduler/sched-domains.txt文件,一个Scheduling Domain会包含一个或多个CPU Groups,排程的Load-Balance就会根据Domain中的Groups来做调整.
(4),释放Mutex Lock “sched_domains_mutex”
(5),呼叫put_online_cpus,如果目前CPU Hotplug Active Writer行程是自己,就直接返回.反之就把 cpu_hotplug.refcount减1,如果 cpu_hotplug.refcount减到為0,表示没有其他Reader,此时如果有CPU Hotplug Active Writer行程在等待,就会透过wake_up_process唤醒该行程,以便让等待中的Writer可以被执行下去.(也可以参考_cpu_up中对於函式cpu_hotplug_begin的说明).
(6)注册CPU Notifier cpuset_cpu_active/cpuset_cpu_inactive/update_runtime
(7),呼叫set_cpus_allowed_ptr,透过这函式可以设定CPU bitmask,限定Task只能在特定的处理器上运作.在这会用参数”non_isolated_cpus”,也就是会把init指定给non-isolated CPU. Linux Kernel可以在啟动时,透过Boot Parameters “isolcpus=“指定CPU编号或是范围,让这些处理器不被包含在Linux Kernel SMP balancing/scheduling算法内,可以在啟动后指派给特定的Task运作.而不在 “isolcpus=“ 指定范围内的处理器就算是non-isolated CPU.
(8),呼叫sched_init_granularity,透过函式update_sysctl,让sysctl_sched_min_granularity=normalized_sysctl_sched_min_granularity,sysctl_sched_latency=normalized_sysctl_sched_latency,sysctl_sched_wakeup_granularity=normalized_sysctl_sched_wakeup_granularit
do_basic_setup 实例在init/main.c中,
1,diaousermodehelper_init (in kernel/kmod.c),产生khelper workqueue.
2,调用init_tmpfs (in mm/shmem.c),对VFS注册Temp FileSystem.
3,呼叫driver_init (in drivers/base/init.c),初始化Linux Kernel Driver System Model.
4,呼叫init_irq_proc(in kernel/irq/proc.c),初始化 “/proc/irq”与其下的File Nodes.
5,呼叫do_ctors (in init/main.c),执行位於Symbol __ctors_start 到 __ctors_end间属於Section “.ctors” 的Constructor函式.
6,透过函式do_initcalls,执行介於Symbol __early_initcall_end与__initcall_end之间的函式呼叫,
sys_open 实例在fs/fcntl.c中,”SYSCALL_DEFINE1(dup, unsigned int, fildes)”,在这会连续执行两次sys_dup,复制两个sys_open开啟/dev/console所產生的档案描述0 (也就是会多生出两个1与2),只是都对应到”/dev/console”,我们在System V streams下的Standard Stream一般而言会有如下的对应
0:Standard input (stdin)
1:Standard output (stdout)
2:Standard error (stderr)
(為方便大家参考,附上Wiki URL http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_streams )
ramdisk_execute_command与prepare_namespace 1,如果ramdisk_execute_command為0,就设定ramdisk_execute_command = “/init”
2,如果sys_access确认档案ramdisk_execute_command 失败,就把ramdisk_execute_command 设定為0,然后呼叫prepare_namespace去mount root FileSystem.
integrity_load_keys 至此我们初始化工作完成, 文件系统也已经准备好了,那么接下来加载 load integrity keys hook
load_default_modules 加载基本的模块

kernel_init分析


static int __ref kernel_init(void *unused)
{
int ret;

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();

rcu_end_inkernel_boot();

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

/*
* 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) {
ret = run_init_process(execute_command);
if (!ret)
return 0;
panic("Requested init %s failed (error %d).",
execute_command, ret);
}
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;

panic("No working init found. Try passing init= option to kernel. "
"See Linux Documentation/init.txt for guidance.");
}
执行流程 说明
kernel_init_freeable 调用kernel_init_freeable完成初始化工作,准备文件系统,准备模块信息
async_synchronize_full 用以同步所有非同步函式呼叫的执行,在这函数中会等待List async_running与async_pending都清空后,才会返回. Asynchronously called functions主要设计用来加速Linux Kernel开机的效率,避免在开机流程中等待硬体反应延迟,影响到开机完成的时间
free_initmem free_initmem(in arch/arm/mm/init.c),释放Linux Kernel介於__init_begin到 __init_end属于init Section的函数的所有内存.并会把Page个数加到变量totalram_pages中,作为后续Linux Kernel在配置记忆体时可以使用的Pages. (在这也可把TCM范围(__tcm_start到__tcm_end)释放加入到总Page中,但TCM比外部记忆体有效率,适合多媒体,中断,…etc等对效能要求高的执行需求,放到总Page中,成为可供一般目的配置的存储范围
system_state 设置运行状态SYSTEM_RUNNING
加载init进程,进入用户空间 a,如果ramdisk_execute_command不為0,就执行该命令成為init User Process.
b,如果execute_command不為0,就执行该命令成為init User Process.
c,如果上述都不成立,就依序執行如下指令
run_init_process(“/sbin/init”);
run_init_process(“/etc/init”);
run_init_process(“/bin/init”);
run_init_process(“/bin/sh”);
也就是说会按照顺序从/sbin/init, /etc/init, /bin/init 與 /bin/sh依序执行第一个 init User Process.
如果都找不到可以執行的 init Process,就會進入Kernel Panic.如下所示panic(“No init found. Try passing init= option to kernel. ”“See Linux Documentation/init.txt for guidance.”);