内核启动

内核的启动从入口函数 start_kernel() 开始。在 init/main.c 文件中，start_kernel 相当于内核的 main 函数。打开这个函数，里面是各种各样初始化函数 XXXX_init。
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项目初始化：在操作系统里面，先要有个创始进程，代码如下：

  1. set_task_stack_end_magic(&init_task)
  2. struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task)

它是系统创建的第一个进程，我们称为 0 号进程。这是唯一一个没有通过 fork 或者 kernel_thread 产生的进程，是进程列表的第一个。

为响应客户需求初始化一个”办事大厅“，这里面对应的函数是 trap_init()，里面设置了很多中断门（Interrupt Gate），用于处理各种中断。其中有一个 set_system_intr_gate(IA32_SYSCALL_VECTOR, entry_INT80_32)，这是系统调用的中断门。系统调用也是通过发送中断的方式进行的。

vfs_caches_init() 会用来初始化基于内存的文件系统 rootfs。在这个函数里面，会调用 mnt_init()->init_rootfs()。这里面有一行代码，register_filesystem(&rootfs_fs_type)。在 VFS 虚拟文件系统里面注册了一种类型，我们定义为 struct file_system_type rootfs_fs_type。

文件系统是我们的项目资料库，为了兼容各种各样的文件系统，我们需要将文件的相关数据结构和操作抽象出来，形成一个抽象层对上提供统一的接口，这个抽象层就是 VFS（Virtual File System），虚拟文件系统。

其他初始化 rest_init()

初始化一号进程

rest_init 的第一大工作是，用 kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS) 创建第二个进程，这个是 1 号进程。

一号进程是由零号进程创建的一个用户进程。有了用户进程，零号进程不再是唯一的”主人“，为了避免资源竞争，泄露，恶意修改等，操作系统就要进行一定的分区，划分核心资源等操作。x86 提供了分层的权限机制，把区域分成了四个 Ring，越往里权限越高，越往外权限越低。
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操作系统很好地利用了这个机制，将能够访问关键资源的代码放在 Ring0，我们称为内核态（Kernel Mode）；将普通的程序代码放在 Ring3，我们称为用户态（User Mode）。

除此之外，前文提到过的保护模式在此也会起到作用，其不仅使得可用内存变大，还可以禁止用户态的代码执行更高权限的指令，限制其行为。用户态通过操作系统功能调用的统一入口来访问核心资源，此时会涉及到用户态和内核态的直接切换。
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过程：用户态 - 系统调用 - 保存寄存器 - 内核态执行系统调用 - 恢复寄存器 - 返回用户态继续运行。
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创建二号进程

二号进程即内核态进程，kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES) 又一次使用 kernel_thread 函数创建进程。这里需要指出一点，函数名 thread 可以翻译成“线程”，这也是操作系统很重要的一个概念。它和进程有什么区别呢？为什么这里创建的是进程，函数名却是线程呢？

从用户态来看，创建进程其实就是立项，也就是启动一个项目。这个项目包含很多资源，例如会议室、资料库等。这些东西都属于这个项目，但是这个项目需要人去执行。有多个人并行执行不同的部分，这就叫多线程（Multithreading）。如果只有一个人，那它就是这个项目的主线程。但是从内核态来看，无论是进程，还是线程，我们都可以统称为任务（Task），都使用相同的数据结构，平放在同一个链表中。

这里的函数 kthreadd，负责所有内核态的线程的调度和管理，是内核态所有线程运行的祖先。

总结延伸

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  • 内核初始化, 运行 start_kernel() 函数(位于 init/main.c), 初始化做三件事
    • 创建样板进程, 及各个模块初始化
    • 创建管理/创建用户态进程的进程
    • 创建管理/创建内核态进程的进程
  • 创建样板进程,及各个模块初始化
    • 创建第一个进程, 0号进程. set_task_stack_end_magic(&init_task) and struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task)
    • 初始化中断, trap_init(). 系统调用也是通过发送中断进行, 由 set_system_intr_gate() 完成.
    • 初始化内存管理模块, mm_init()
    • 初始化进程调度模块, sched_init()
    • 初始化基于内存的文件系统 rootfs, vfs_caches_init()
      • VFS(虚拟文件系统)将各种文件系统抽象成统一接口
    • 调用 rest_init() 完成其他初始化工作
  • 创建管理/创建用户态进程的进程, 1号进程
    • rest_init() 通过 kernel_thread(kernel_init,...) 创建 1号进程(工作在用户态).
    • 权限管理
      • x86 提供 4个 Ring 分层权限
      • 操作系统利用: Ring0-内核态(访问核心资源); Ring3-用户态(普通程序)
    • 用户态调用系统调用: 用户态-系统调用-保存寄存器-内核态执行系统调用-恢复寄存器-返回用户态
    • 新进程执行 kernel_init 函数, 先运行 ramdisk 的 /init 程序(位于内存中)
      • 首先加载 ELF 文件
      • 设置用于保存用户态寄存器的结构体
      • 返回进入用户态
      • /init 加载存储设备的驱动
    • kernel_init 函数启动存储设备文件系统上的 init
  • 创建管理/创建内核态进程的进程, 2号进程
    • rest_init() 通过 kernel_thread(kthreadd,...) 创建 2号进程(工作在内核态).
    • kthreadd 负责所有内核态线程的调度和管理