作者：于波
聲明：原創作品，轉載請註明出處
參考：《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
這是網易雲課堂《Linux內核分析》課程第三週的作業，要求分析Linux內核從start_kernel到init進程啓動的過程。
一、實驗環境搭建：
首先按照課程幫助在自己的機器上建立實驗環境。需要一個本地的Ubuntu，我用的版本是64位的14.04。
建立一個目錄，下載老師給我們準備好的Linux源代碼，解壓，編譯，編譯的結果是一個32位的Linux內核。
cd ~/LinuxKernel/
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.18.6.tar.xz
xz -d linux-3.18.6.tar.xz
tar -xvf linux-3.18.6.tar
cd linux-3.18.6
make i386_defconfig
make
然後我們要創建根文件系統，並從這個跟文件系統來啓動我們的Linux內核。步驟如下：
cd ~/LinuxKernel/
mkdir rootfs
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
gcc -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static –lpthread
# -m32表示在64位機器上編譯32位程序，
# 如果編譯時提示頭文件缺失的錯誤，很可能是因爲還沒有安裝32位的開發包，
# 可以嘗試sudo apt-get install libc6-dev-i386 來安裝
cd ../rootfs
cp ../menu/init ./
find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img
根文件系統製作完成之後，就可以用虛擬機啓動Linux內核了：
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img
爲了跟蹤內核代碼的執行過程，需要先在運行的內核中加入調試信息，這樣我們就能用GDB在我們感興趣的代碼行上設置斷點，觀察程序的執行過程了。添加方法是在linux源代碼目錄下用make menuconfig命令選中kernel hacking項目的compile the kernel with debug info項，然後重新編譯內核，也就是在linux-3.18.6目錄下重新執行make, 編譯時間會比較長，需要耐心等待。選項的具體位置如下圖所示：
重新編譯完成之後，我們的內核中就包含調試信息了，也就是每條指令都可以回溯到對應的源代碼了，下面就可以用gdb進行調試了。
用GDB調試內核的方法是，首先用qemu啓動系統的根文件系統，並添加-s和-S選項，-S選項的作用是讓系統啓動之後就掛起，等待用戶指令再繼續運行，而-s是一個gdb命令的縮寫，相當於-gdb tcp:1234，如果想換用其他的端口號，就直接使用相應的gdb命令代替-s。
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S
接下來就可以另起一個終端，啓動gdb，加載系統的符號表，連接到之前啓動的內核進行調試了。
二、內核啓動過程分析
start_kernel函數定義在init/main.c中，我們看看他都幹了些什麼事情。分析見程序中的中文註釋。
500 asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
501 {
502 char *command_line;
503 char *after_dashes;
504
505 /*
506 * Need to run as early as possible, to initialize the
507 * lockdep hash:
508 */
509 lockdep_init(); /* 初始化兩個全局的哈希表結構，classhash_table和chainhash_table */
510 set_task_stack_end_magic(&init_task);
/* 在0號進程的棧底位置設置一個值爲0x57AC6E9D的魔術值，用於棧溢出檢測 */
511 smp_setup_processor_id(); /*單核機器上什麼都不做，多核機器上設置進程的啓動CPU號*/
512 debug_objects_early_init(); /**/
513
514 /*
515 * Set up the the initial canary ASAP:
516 */
517 boot_init_stack_canary(); /* 初始化用於棧保護的隨機數 */
518
519 cgroup_init_early(); /* 初始化進程組 */
520
521 local_irq_disable(); /* 暫時關閉中斷響應，並記錄在全局標誌中 */
522 early_boot_irqs_disabled = true;
523
524 /*
525 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
526 * enable them
527 */
528 boot_cpu_init(); /* 設置當前CPU的上線和激活標誌 */
529 page_address_init(); /* 初始化分頁地址表 */
530 pr_notice("%s", linux_banner); /* 在屏幕上輸出Linux的旗標 */
531 setup_arch(&command_line); /* 根據/proc/cmdline中的信息初始化體系相關的CPU，內存機IO數據，
這個函數會根據選擇的CPU類型執行不同體系結構下響應的函數 */
532 mm_init_cpumask(&init_mm); /* 初始化CPU屏蔽字爲全0，也就是不屏蔽任何CPU */
533 setup_command_line(command_line); /* 將啓動命令行保存起來 */
534 setup_nr_cpu_ids(); /* 設置CPU的最大ID，在單核CPU上，不做任何事情 */
535 setup_per_cpu_areas(); /* 初始化每個CPU自己的私有數據 */
536 smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */
537
538 build_all_zonelists(NULL, NULL);
539 page_alloc_init();
540
541 pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line);
542 parse_early_param();
543 after_dashes = parse_args("Booting kernel",
544 static_command_line, __start___param,
545 __stop___param - __start___param,
546 -1, -1, &unknown_bootoption);
547 if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
548 parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,
549 set_init_arg);
550
551 jump_label_init();
552
553 /*
554 * These use large bootmem allocations and must precede
555 * kmem_cache_init()
556 */
557 setup_log_buf(0);
558 pidhash_init();
559 vfs_caches_init_early();
560 sort_main_extable();
561 trap_init();
562 mm_init();
563
564 /*
565 * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the
566 * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()
567 * time - but meanwhile we still have a functioning scheduler.
568 */
569 sched_init();
570 /*
571 * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
572 * fragile until we cpu_idle() for the first time.
573 */
574 preempt_disable();
575 if (WARN(!irqs_disabled(),
576 "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))
577 local_irq_disable();
578 idr_init_cache();
579 rcu_init();
580 context_tracking_init();
581 radix_tree_init();
582 /* init some links before init_ISA_irqs() */
583 early_irq_init();
584 init_IRQ();
585 tick_init();
586 rcu_init_nohz();
587 init_timers();
588 hrtimers_init();
589 softirq_init();
590 timekeeping_init();
591 time_init();
592 sched_clock_postinit();
593 perf_event_init();
594 profile_init();
595 call_function_init();
596 WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n");
597 early_boot_irqs_disabled = false;
598 local_irq_enable();
599
600 kmem_cache_init_late();
601
602 /*
603 * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before
604 * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of
605 * this. But we do want output early, in case something goes wrong.
606 */
607 console_init();
608 if (panic_later)
609 panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
610 panic_param);
611
612 lockdep_info();
613
614 /*
615 * Need to run this when irqs are enabled, because it wants
616 * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs
617 * too:
618 */
619 locking_selftest();
620
621 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
622 if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
623 page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {
624 pr_crit("initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - disabling it. \n",
625 page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),
626 min_low_pfn);
627 initrd_start = 0;
628 }
629 #endif
630 page_cgroup_init();
631 debug_objects_mem_init();
632 kmemleak_init();
633 setup_per_cpu_pageset();
634 numa_policy_init();
635 if (late_time_init)
636 late_time_init();
637 sched_clock_init();
638 calibrate_delay();
639 pidmap_init();
640 anon_vma_init();
641 acpi_early_init();
642 #ifdef CONFIG_X86
643 if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))
644 efi_enter_virtual_mode();
645 #endif
646 #ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64
647 /* Should be run before the first non-init thread is created */
648 init_espfix_bsp();
649 #endif
650 thread_info_cache_init();
651 cred_init();
652 fork_init(totalram_pages);
653 proc_caches_init();
654 buffer_init();
655 key_init();
656 security_init();
657 dbg_late_init();
658 vfs_caches_init(totalram_pages);
659 signals_init();
660 /* rootfs populating might need page-writeback */
661 page_writeback_init();
662 proc_root_init();
663 cgroup_init();
664 cpuset_init();
665 taskstats_init_early();
666 delayacct_init();
667
668 check_bugs();
669
670 sfi_init_late();
671
672 if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {
673 efi_late_init();
674 efi_free_boot_services();
675 }
676
677 ftrace_init();
678
679 /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
680 rest_init();
681 }