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Linux进程的管理与调度(七)--- Linux下1号进程的前世(kernel_init)今生(init进程)
Linux 下有3 个特殊的进程,idle
进程 ( P I D = 0 ) (PID = 0) (PID=0),init
进程 ( P I D = 1 ) (PID = 1) (PID=1) 和 kthreadd
进程 ( P I D = 2 ) (PID = 2) (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
由 0 号进程创建,完成系统的初始化,是系统中所有其他用户进程的祖先进程。 Linux 中的所有进程都是由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。 在系统进程启运完成后,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,负表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间接的以kthreadd
为父进程。
Linux 系统中的init 进程(PID=1)是除了 idle 进程(PID=0,init_task)之外的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,其开是在内核态执行,然后通一个系统调用,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由该进程派生出来。
init 进程 - 1号进程
前面我们了解到了0号进程是系统所有进程的祖先,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。
后者则会在新进程环境下调用
start_kernel
在其最后一个函数rest_init
的调用中,会通过kernel_thread
来产生一个内核进程,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
,这个函数定义在 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号内核态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(用于用户登陆),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:
kernel_init
函数在内核态运行,是内核代码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。- 1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
。
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程序是一个可以由用户编写的进程, 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。 | 《》 |
upstart | debian, Ubuntu等系统使用的initdaemon | 《》 |
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 | 《》 |
Ubuntu等使用deb包的系统可以通过dpkg -S查看程序所在的包
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参见
《 》
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init current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)来启动该处理器. |
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 ) |
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 与 /bin/sh依序执行第一个 init User Process.如果都找不到可以执行的 init Process,就会进入Kernel Panic.如下所示panic(“No init found. Try passing init= option to kernel. ”“See Linux Documentation/init.txt for guidance.”); |
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