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熟悉linux的同學都知道，linux的啓動順序就是uboot -> linux -> shell。但是很少人研究linux是怎麼調用shell程序的。今天，可以藉助早期linux 0.11的內核版本分析一下。linux 0.11的地址可以參考這個鏈接，https://github.com/tinyclub/linux-0.11-lab。
1、內核態跳轉到用戶態，main.c
內核態跳轉到用戶態，os是通過代碼move_to_user_mode()來完成的。執行完這段代碼的意義就是，從下一行代碼開始，當前代碼就是用戶態的程序了。只不過，這是一個特殊的用戶態程序。普通的用戶程序會有兩個地址空間，一個指向內核，一個指向自己。而這個特殊的用戶程序就只有一個空間，即內核空間。當然，有的同學會說，普通的用戶程序不能執行內核代碼，必須通過系統調用纔可以，爲什麼這個用戶程序可以？其實這個只要設置一下tlb屬性就可以了。
void main(void)
{
/*
* other init code :-)
*/
move_to_user_mode();
if (!fork()) { /* we count on this going ok */
init();
}
/*
* NOTE!! For any other task 'pause()' would mean we have to get a
* signal to awaken, but task0 is the sole exception (see 'schedule()')
* as task 0 gets activated at every idle moment (when no other tasks
* can run). For task0 'pause()' just means we go check if some other
* task can run, and if not we return here.
*/
for(;;) pause();
}
另外，關於move_to_user_mode，這個也是有意思的，大家可以看看怎麼實現的，特別是這麼一句"pushl $1f\n\t"
#define move_to_user_mode() \
__asm__ (
"movl %%esp,%%eax\n\t" \
"pushl $0x17\n\t" \
"pushl %%eax\n\t" \
"pushfl\n\t" \
"pushl $0x0f\n\t" \
"pushl $1f\n\t" \
"iret\n" \
"1:\tmovl $0x17,%%eax\n\t" \
"movw %%ax,%%ds\n\t" \
"movw %%ax,%%es\n\t" \
"movw %%ax,%%fs\n\t" \
"movw %%ax,%%gs" \
:::"ax")
ps：
如果是用戶態進入系統態一般用int或者是sysenter。返回的話就用iret。
2、加載文件系統
os通過setup((void *) &drive_info)實現文件系統的加載。當然加載文件系統可以放在模式切換前，也可以放在切換後，這一塊問題不大。加載文件系統的意義在於，有了fs之後，os可以簡單地通過路徑就可以實現數據的訪問和讀寫了。
在linux的後期演進過程中，文件系統逐步變成了根文件系統。其實一個硬盤、ram、fd裏面可以有多個文件系統。至於哪一個是根文件系統，都是os自己指定的，不同的文件系統之間也可以切換爲根文件系統，這一點上沒有多大難度。
3、打開串口
串口的打開，是通過open("/dev/tty0",O_RDWR,0)函數實現的，這一塊比較簡單，就是一個系統調用。
4、創建子進程
子進程的創建是通過pid=fork()實現。如果是子進程，返回爲0；如果是父進程，返回爲子進程的id號。fork只是clone一下父進程的內容，本身沒有加載任何代碼的東西。
5、準備加載用戶代碼
execve("/bin/sh",argv_rc,envp_rc)來完成用戶空間的加載。這也是一個系統調用。簡單來說，execve只負責系統空間的加載，但是不負責實際代碼和數據的載入。這麼做的好處就是在內存空間不富裕的時候，只載入必要的代碼段和數據段。
6、page異常
在execve返回到用戶側的時候，就會產生異常。因爲雖然execve分配了代碼空間，但是沒有實際載入數據，所以會產生一個缺頁異常。這部分的內容是通過do_no_page來完成的，如果os發現當前的空間確實有數據，那麼就會盡可能地從fs加載數據進來，當然如果本身空間就是非法的，這個時候就會rais真正的異常。
7、等待子進程結束
第一次執行sh的時候，fs只完成一部分工作，執行完就退出。這個時候父進程就會在(pid != wait(&i)進行等待。一般來說，這個sh會完成一些腳本的初始化工作，類似於linux rc文件。執行結束後，sh就退出來了。雖然後面也會執行sh，但是兩者的輸入參數是不一樣的，差別也就在這個地方。
8、重複啓動子進程、等待子進程
while (1) {
if ((pid=fork())<0) {
printf("Fork failed in init\r\n");
continue;
}
if (!pid) {
close(0);close(1);close(2);
setsid();
(void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);
(void) dup(0);
(void) dup(0);
_exit(execve("/bin/sh",argv,envp));
}
while (1)
if (pid == wait(&i))
break;
printf("\n\rchild %d died with code %04x\n\r",pid,i);
sync();
}
9、不可達的代碼
在0.11中_exit(0)代碼是不可達的。看待上面的循環邏輯，大家就可以明白，父進程會一直監視sh有沒有退出。如果sh退出之後，那麼會重啓一個新的shell。所以，_exit(0)是永遠也不會執行到的。
ps：
linux 0.11從哪方面講，對自己的操作系統水平和認知提升都是大有裨益的。文件系統裏面的程序，可以自己寫一個簡單的syscall + helloworld程序就可以了，把流程捋一遍，就知道系統的整個執行流程了。另外，清華大學陳渝老師的ucore也不錯，有對應的代碼https://github.com/chyyuu/ucore_os_lab，還有視頻教程https://www.bilibili.com/video/av6538245/，簡單的安裝virtualbox虛擬機、配置一下ubuntu + qemu + gdb，就可以調試開發，非常適合用來練習，對自己認識bootloader、kernel、fs很有幫助。
文件系統非常重要，如果是bios啓動的話，很有可能內核也會放在文件系統裏面，即bios先讀取文件系統，執行kernel，再加載完整的文件系統。後期的windows、linux，都是這麼來做的。比如，windows就是ntoskrnl.exe，而linux則是bzImage，兩者邏輯是一樣的。
用戶側的代碼通常都放在文件系統裏面，簡單地來看，就是讀取一個文件，copy到內存，創建一個線程，分配一些時間片，開始調度和切換。用戶程序訪問資源都需要syscall，如果是內核來做這樣事情，可以直接call function，連syscall都節省了。普通的用戶側代碼如果沒有syscall、沒有內核調用，其實執行起來是很容易的事情，它的內存和內核也是分開來的。當然，如果使用到了動態庫、libc，用戶側的代碼也可以做得很複雜。