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Linux下1號進程的前世(kernel_init)今生(init進程)----Linux進程的管理與調度（六）

來源：程序員人生發布時間：2016-06-25 08:42:39 閱讀次數：10141次

日期	內核版本	架構	作者	GitHub	CSDN
2016-05⑵9	Linux⑷.5	X86 & arm	gatieme	LinuxDeviceDrivers	Linux進程管理與調度-之-進程的創建

前言

Linux下有3個特殊的進程，idle進程( $PID = 0$ ), init進程( $PID = 1$ )和kthreadd( $PID = 2$ )

* idle進程由系統自動創建, 運行在內核態

idle進程其pid=0，其前身是系統創建的第1個進程，也是唯逐一個沒有通過fork或kernel_thread產生的進程。完成加載系統后，演化為進程調度、交換

* init進程由idle通過kernel_thread創建，在內核空間完成初始化后, 加載init程序, 并終究用戶空間

由0進程創建，完成系統的初始化. 是系統中所有其它用戶進程的先人進程
Linux中的所有進程都是有init進程創建并運行的。首先Linux內核啟動，然后在用戶空間中啟動init進程，再啟動其他系統進程。在系統啟動完成完成后，init將變成守護進程監視系統其他進程。

* kthreadd進程由idle通過kernel_thread創建，并始終運行在內核空間, 負責所有內核線程的調度和管理

它的任務就是管理和調度其他內核線程kernel_thread, 會循環履行1個kthread的函數，該函數的作用就是運行kthread_create_list全局鏈表中保護的kthread, 當我們調用kernel_thread創建的內核線程會被加入到此鏈表中，因此所有的內核線程都是直接或間接的以kthreadd為父進程

我們下面就詳解分析1號進程的前世(kernel_init)今生(init進程)

Linux系統中的init進程(pid=1)是除idle進程(pid=0，也就是init_task)以外另外一個比較特殊的進程，它是Linux內核開始建立起進程概念時第1個通過kernel_thread產生的進程，其開始在內核態履行，然后通過1個系統調用，開始履行用戶空間的/sbin/init程序，期間Linux內核也經歷了從內核態到用戶態的特權級轉變，/sbin/init極有可能產生出了shell，然后所有的用戶進程都有該進程派生出來

1號進程

前面我們了解到了0號進程是系統所有進程的先祖, 它的進程描寫符init_task是內核靜態創建的, 而它在進行初始化的時候, 通過kernel_thread的方式創建了兩個內核線程，分別是kernel_init和kthreadd，其中kernel_init進程號為1

start_kernel在其最后1個函數rest_init的調用中，會通過kernel_thread來生成1個內核進程，后者則會在新進程環境下調用kernel_init函數，kernel_init1個讓人感興趣的地方在于它會調用run_init_process來履行根文件系統下的 /sbin/init等程序：

kernel_init

0號進程創建1號進程的方式以下

kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);

我們發現1號進程的履行函數就是kernel_init, 這個函數被定義init/main.c中，以下所示

kernel_init函數將完成裝備驅動程序的初始化，并調用init_post函數啟動用戶空間的init進程。

由0號進程創建1號進程（內核態），1號內核線程負責履行內核的部份初始化工作及進行系統配置，并創建若干個用于高速緩存和虛擬主存管理的內核線程。

init進程

隨后，1號進程調用do_execve運行可履行程序init，并演化成用戶態1號進程，即init進程。

init進程是linux內核啟動的第1個用戶級進程。init有許多很重要的任務，比如像啟動getty（用于用戶登錄）、實現運行級別、和處理孤立進程。

它依照配置文件/etc/initab的要求，完成系統啟開工作，創建編號為1號、2號…的若干終端注冊進程getty。

每一個getty進程設置其進程組標識號，并監視配置到系統終真個接口線路。當檢測到來自終真個連接信號時，getty進程將通過函數do_execve（）履行注冊程序login，此時用戶便可輸入注冊名和密碼進入登錄進程，如果成功，由login程序再通過函數execv（）履行shell，該shell進程接收getty進程的pid，取代原來的getty進程。再由shell直接或間接地產生其他進程。

上述進程可描寫為：0號進程->1號內核進程->1號用戶進程（init進程）->getty進程->shell進程

注意，上述進程描寫中提到：1號內核進程調用履行init函數并演化成1號用戶態進程（init進程），這里前者是init是函數，后者是進程。二者容易混淆，區分以下：

kernel_init函數在內核態運行，是內核代碼
init進程是內核啟動并運行的第1個用戶進程，運行在用戶態下。
1號內核進程調用execve()從文件/etc/inittab中加載可履行程序init并履行，這個進程并沒有使用調用do_fork()，因此兩個進程都是1號進程。

當內核啟動了自己以后（已被裝入內存、已開始運行、已初始化了所有的裝備驅動程序和數據結構等等），通過啟動用戶級程序init來完成引導進程的內核部份。因此，init總是第1個進程（它的進程號總是1）。

當init開始運行，它通過履行1些管理任務來結束引導進程，例如檢查文件系統、清算/tmp、啟動各種服務和為每一個終端和虛擬控制臺啟動getty，在這些地方用戶將登錄系統。

在系統完全起來以后，init為每一個用戶已退出的終端重啟getty（這樣下1個用戶就能夠登錄）。init一樣也搜集孤立的進程：當1個進程啟動了1個子進程并且在子進程之前終止了，這個子進程立刻成為init的子進程。對各種技術方面的緣由來講這是很重要的，知道這些也是有好處的，由于這便于理解進程列表和進程樹圖。init的變種很少。絕大多數Linux發行版本使用sysinit（由Miguel van Smoorenburg著），它是基于System V的init設計。UNIX的BSD版本有1個不同的init。最主要的不同在于運行級別：System V有而BSD沒有（最少是傳統上說）。這類區分其實不是主要的。在此我們僅討論sysvinit。配置init以啟動getty：/etc/inittab文件

關于init程序

1號進程通過execve履行init程序來進入用戶空間，成為init進程，那末這個init在哪里呢

內核在幾個位置上來查尋init，這幾個位置之前經常使用來放置init，但是init的最適當的位置（在Linux系統上）是/sbin/init。如果內核沒有找到init，它就會試著運行/bin/sh，如果還是失敗了，那末系統的啟動就宣布失敗了。

因此init程序是1個可以又用戶編寫的進程, 如果希望看init程序源碼的朋友，可以參見

init包	說明	學習鏈接
sysvinit	初期1些版本使用的初始化進程工具, 目前在逐步淡出linux歷史舞臺, sysvinit 就是 system V 風格的 init 系統，顧名思義，它源于 System V 系列 UNIX。它提供了比 BSD 風格 init 系統更高的靈活性。是已盛行了幾10年的 UNIX init 系統，1直被各類 Linux 發行版所采取。	淺析 Linux 初始化 init 系統（1）：sysvinit
upstart	debian, Ubuntu等系統使用的initdaemon	淺析 Linux 初始化 init 系統（2）： UpStart
systemd	Systemd 是 Linux 系統中最新的初始化系統（init），它主要的設計目標是克服 sysvinit 固有的缺點，提高系統的啟動速度	淺析 Linux 初始化 init 系統（3） Systemd

Ubuntu等使用deb包的系統可以通過dpkg -S查看程序所在的包

這里寫圖片描述

CentOS等使用rpm包的系統可以通過rpm -qf查看系統程序所在的包

舊版CentOS

新版CentOS

參見

Linux下查看并下載命令源碼包（根據命令/利用程序逆向獲得并且安裝其所屬源碼包）

附錄

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();
 }

履行流程	說明
wait_for_completion	實例在kernel/sched/completion.c中, 等待Kernel Thread kthreadd (PID=2)創建終了
gfp_allowed_mask	__GFP_BITS_MASK;設置bitmask, 使得init進程可使用PM并且允許I/O阻塞操作
set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);	init進程可以分配物理頁面
set_cpus_allowed_ptr	通過設置cpu_bit_mask, 可以限定task只能在特定的處理器上運行, 而initcurrent進程此時必定是init進程，設置其cpu_all_mask即便得init進程可以在任意的cpu上運行
task_pid	設置到目前運行進程init的pid號給cad_pid(cad_pid是用來接收`ctrl-alt-del` reboot signal的進程, 如果設置C_A_D=1就表示可以處理來自`ctl-alt-del`的動作)，最后會調用 ctrl_alt_del(void)并確認C_A_D是不是為1,確認完成后將履行cad_work=deferred_cad,履行kernel_restart
smp_prepare_cpus	體系結構相干的函數，實例在arch/arm/kernel/smp.c中,調用smp_prepare_cpus時,會以全局變量setup_max_cpus為函式參數max_cpus,以表示在編譯核心時,設定支援的最大CPU數量
do_pre_smp_initcalls	實例在init/main.c中, 會透過函式do_one_initcall,履行Symbol中 __initcall_start與__early_initcall_end之間的函數
smp_init	實例在kernel/smp.c中, 函數主要是由Bootstrap處理器,進行Active多核心架構下其它的處理器. 如果產生Online的處理器個數(from num_online_cpus)超過在核心編譯時,所設定的最大處理器個數 setup_max_cpus (from NR_CPUS),就會終止流程.如果該處理器目前屬於Present （也就是存在系統中),但還沒有是Online的狀態,就會呼喚函式cpu_up(in kernel/cpu.c)來啟動該處理器.
sched_init_smp	實例在kernel/sched.c中, (1), 呼喚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1個Reader) (2),獲得Mutex Lock “sched_domains_mutex” (3),呼喚arch_init_sched_domains,設定scheduler domains與groups,參考Linux Documentation/scheduler/sched-domains.txt文件,1個Scheduling Domain會包括1個或多個CPU Groups,排程的Load-Balance就會根據Domain中的Groups來做調劑. (4),釋放Mutex Lock “sched_domains_mutex” (5),呼喚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減1,如果 cpu_hotplug.refcount減到為0,表示沒有其他Reader,此時如果有CPU Hotplug Active Writer行程在等待,就會透過wake_up_process喚醒該行程,以便讓等待中的Writer可以被履行下去.(也能夠參考_cpu_up中對於函式cpu_hotplug_begin的說明). (6)注冊CPU Notifier cpuset_cpu_active/cpuset_cpu_inactive/update_runtime (7),呼喚set_cpus_allowed_ptr,透過這函式可以設定CPU bitmask,限定Task只能在特定的處理器上運作.在這會用參數”non_isolated_cpus”,也就是會把init指定給non-isolated CPU. Linux Kernel可以在啟動時,透過Boot Parameters “isolcpus=“指定CPU編號或是范圍,讓這些處理器不被包括在Linux Kernel SMP balancing/scheduling算法內,可以在啟動后指派給特定的Task運作.而不在 “isolcpus=“ 指定范圍內的處理器就算是non-isolated CPU. (8),呼喚sched_init_granularity,透過函式update_sysctl,讓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	實例在init/main.c中, 1,diaousermodehelper_init (in kernel/kmod.c),產生khelper workqueue. 2,調用init_tmpfs (in mm/shmem.c),對VFS注冊Temp FileSystem. 3,呼喚driver_init (in drivers/base/init.c),初始化Linux Kernel Driver System Model. 4,呼喚init_irq_proc(in kernel/irq/proc.c),初始化 “/proc/irq”與其下的File Nodes. 5,呼喚do_ctors (in init/main.c),履行位於Symbol __ctors_start 到 __ctors_end間屬於Section “.ctors” 的Constructor函式. 6,透過函式do_initcalls,履行介於Symbol __early_initcall_end與__initcall_end之間的函式呼喚,
sys_open	實例在fs/fcntl.c中,”SYSCALL_DEFINE1(dup, unsigned int, fildes)”,在這會連續履行兩次sys_dup,復制兩個sys_open開啟/dev/console所產生的檔案描寫0 (也就是會多生出兩個1與2),只是都對應到”/dev/console”,我們在System V streams下的Standard Stream1般而言會有以下的對應 0:Standard input (stdin) 1:Standard output (stdout) 2:Standard error (stderr) (為方便大家參考,附上Wiki URL http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_streams )
ramdisk_execute_command與prepare_namespace	1,如果ramdisk_execute_command為0,就設定ramdisk_execute_command = “/init” 2,如果sys_access確認檔案ramdisk_execute_command 失敗,就把ramdisk_execute_command 設定為0,然后呼喚prepare_namespace去mount root FileSystem.
integrity_load_keys	至此我們初始化工作完成, 文件系統也已準備好了，那末接下來加載 load integrity keys hook
load_default_modules	加載基本的模塊

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.");
}

履行流程	說明
kernel_init_freeable	調用kernel_init_freeable完成初始化工作，準備文件系統，準備模塊信息
async_synchronize_full	用以同步所有非同步函式呼喚的履行,在這函數中會等待List async_running與async_pending都清空后,才會返回. Asynchronously called functions主要設計用來加速Linux Kernel開機的效力,避免在開機流程中等待硬體反應延遲,影響到開機完成的時間
free_initmem	free_initmem(in arch/arm/mm/init.c),釋放Linux Kernel介於__init_begin到 __init_end屬于init Section的函數的所有內存.并會把Page個數加到變量totalram_pages中,作為后續Linux Kernel在配置記憶體時可使用的Pages. (在這也可把TCM范圍(__tcm_start到__tcm_end)釋放加入到總Page中,但TCM比外部記憶體有效力,合適多媒體,中斷,…etc等對效能要求高的履行需求,放到總Page中,成為可供1般目的配置的存儲范圍
system_state	設置運行狀態SYSTEM_RUNNING
加載init進程，進入用戶空間	a,如果ramdisk_execute_command不為0,就履行該命令成為init User Process. b,如果execute_command不為0,就履行該命令成為init User Process. c,如果上述都不成立,就依序執行以下指令 run_init_process(“/sbin/init”); run_init_process(“/etc/init”); run_init_process(“/bin/init”); run_init_process(“/bin/sh”); 也就是說會依照順序從/sbin/init, /etc/init, /bin/init 與 /bin/sh依序履行第1個 init User Process. 如果都找不到可以執行的 init Process,就會進入Kernel Panic.以下所示panic(“No init found. Try passing init= option to kernel. ”“See Linux Documentation/init.txt for guidance.”);