本节我们将从linux启动的第一个进程说起，以及后面第一个进程是如何启动1号进程，然后启动2号进程。然后系统中所有的进程关系图做个简单的介绍
0号进程
0号进程，通常也被称为idle进程，或者也称为swapper进程。
0号进程是linux启动的第一个进程，它的task_struct的comm字段为"swapper",所以也成为swpper进程。
#define INIT_TASK_COMM "swapper"当系统中所有的进程起来后，0号进程也就蜕化为idle进程，当一个core上没有任务可运行时就会去运行idle进程。一旦运行idle进程则此core就可以进入低功耗模式了，在ARM上就是WFI。
我们本节重点关注是0号进程是如何启动的。在linux内核中为0号进程专门定义了一个静态的task_struct的结构，称为init_task。
/*
* Set up the first task table, touch at your own risk!. Base=0,
* limit=0x1fffff (=2MB)
*/
struct task_struct init_task
= {
#ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
.thread_info = INIT_THREAD_INFO(init_task),
.stack_refcount = ATOMIC_INIT(1),
#endif
.state = 0,
.stack = init_stack,
.usage = ATOMIC_INIT(2),
.flags = PF_KTHREAD,
.prio = MAX_PRIO - 20,
.static_prio = MAX_PRIO - 20,
.normal_prio = MAX_PRIO - 20,
.policy = SCHED_NORMAL,
.cpus_allowed = CPU_MASK_ALL,
.nr_cpus_allowed= NR_CPUS,
.mm = NULL,
.active_mm = &init_mm,
.tasks = LIST_HEAD_INIT(init_task.tasks),
.ptraced = LIST_HEAD_INIT(init_task.ptraced),
.ptrace_entry = LIST_HEAD_INIT(init_task.ptrace_entry),
.real_parent = &init_task,
.parent = &init_task,
.children = LIST_HEAD_INIT(init_task.children),
.sibling = LIST_HEAD_INIT(init_task.sibling),
.group_leader = &init_task,
RCU_POINTER_INITIALIZER(real_cred, &init_cred),
RCU_POINTER_INITIALIZER(cred, &init_cred),
.comm = INIT_TASK_COMM,
.thread = INIT_THREAD,
.fs = &init_fs,
.files = &init_files,
.signal = &init_signals,
.sighand = &init_sighand,
.blocked = {{0}},
.alloc_lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(init_task.alloc_lock),
.journal_info = NULL,
INIT_CPU_TIMERS(init_task)
.pi_lock = __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED(init_task.pi_lock),
.timer_slack_ns = 50000, /* 50 usec default slack */
.thread_pid = &init_struct_pid,
.thread_group = LIST_HEAD_INIT(init_task.thread_group),
.thread_node = LIST_HEAD_INIT(init_signals.thread_head),
};
EXPORT_SYMBOL(init_task);这个结构体中的成员都是静态定义了，为了简单说明，对这个结构做了简单的删减。同时我们只关注这个结构中的以下几个字段，别的先不关注。
- .thread_info = INIT_THREAD_INFO(init_task), 这个结构在thread_info和内核栈的关系中有详细的描述
- .stack = init_stack, init_stack就是内核栈的静态的定义
- .comm = INIT_TASK_COMM, 0号进程的名称。
在这么thread_info和stack都涉及到了Init_stack， 所以先看下init_stack在哪里设置的。
最终发现init_task是在链接脚本中定义的。
#define INIT_TASK_DATA(align) \
. = ALIGN(align); \
__start_init_task = .; \
init_thread_union = .; \
init_stack = .; \
KEEP(*(.data..init_task)) \
KEEP(*(.data..init_thread_info)) \
. = __start_init_task + THREAD_SIZE; \
__end_init_task = .;在链接脚本中定义了一个INIT_TASK_DATA的宏。
其中__start_init_task就是0号进程的内核栈的基地址，当然了init_thread_union=init_task=__start_init_task的。
而0号进程的内核栈的结束地址等于__start_init_task + THREAD_SIZE， THREAD_SIZE的大小ARM64一般是16K，或者32K。则__end_init_task就是0号进程的内核栈的结束地址。
Linux内核的启动
熟悉linux内核的朋友都知道，linux内核的启动 ，一般都是有bootloader来完成装载，bootloader中会做一些硬件的初始化，然后会跳转到linux内核的运行地址上去。
如果熟悉ARM架构的盆友也清楚，ARM64架构分为EL0, EL1, EL2, EL3。正常的启动一般是从高特权模式向低特权模式启动的。通常来说ARM64是先运行EL3，再EL2，然后从EL2就trap到EL1，也就是我们的Linux内核。
我们来看下Linux内核启动的代码。
代码路径：arch/arm64/kernel/head.S文件中
/*
* Kernel startup entry point.
* ---------------------------
*
* The requirements are:
* MMU = off, D-cache = off, I-cache = on or off,
* x0 = physical address to the FDT blob.
*
* This code is mostly position independent so you call this at
* __pa(PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET).
*
* Note that the callee-saved registers are used for storing variables
* that are useful before the MMU is enabled. The allocations are described
* in the entry routines.
*/
/*
* The following callee saved general purpose registers are used on the
* primary lowlevel boot path:
*
* Register Scope Purpose
* x21 stext() .. start_kernel() FDT pointer passed at boot in x0
* x23 stext() .. start_kernel() physical misalignment/KASLR offset
* x28 __create_page_tables() callee preserved temp register
* x19/x20 __primary_switch() callee preserved temp registers
*/
ENTRY(stext)
bl preserve_boot_args
bl el2_setup // Drop to EL1, w0=cpu_boot_mode
adrp x23, __PHYS_OFFSET
and x23, x23, MIN_KIMG_ALIGN - 1 // KASLR offset, defaults to 0
bl set_cpu_boot_mode_flag
bl __create_page_tables
/*
* The following calls CPU setup code, see arch/arm64/mm/proc.S for
* details.
* On return, the CPU will be ready for the MMU to be turned on and
* the TCR will have been set.
*/
bl __cpu_setup // initialise processor
b __primary_switch
ENDPROC(stext)上面就是内核在调用start_kernel之前做的主要工作了。
- preserve_boot_args用来保留bootloader传递的参数，比如ARM上通常的dtb的地址
- el2_setup：从注释上来看是， 用来trap到EL1，说明我们在运行此指令前还在EL2
- __create_page_tables： 用来创建页表，linux才有的是页面管理物理内存的，在使用虚拟地址之前需要设置好页面，然后会打开MMU。目前还是运行在物理地址上的
- __primary_switch： 主要任务是完成MMU的打开工作
__primary_switch:
adrp x1, init_pg_dir
bl __enable_mmu
ldr x8, =__primary_switched
adrp x0, __PHYS_OFFSET
br x8
ENDPROC(__primary_switch)- 主要是调用__enable_mmu来打开mmu，之后我们访问的就是虚拟地址了
- 调用__primary_switched来设置0号进程的运行内核栈，然后调用start_kernel函数
/*
* The following fragment of code is executed with the MMU enabled.
*
* x0 = __PHYS_OFFSET
*/
__primary_switched:
adrp x4, init_thread_union
add sp, x4, #THREAD_SIZE
adr_l x5, init_task
msr sp_el0, x5 // Save thread_info
adr_l x8, vectors // load VBAR_EL1 with virtual
msr vbar_el1, x8 // vector table address
isb
stp xzr, x30, [sp, #-16]!
mov x29, sp
str_l x21, __fdt_pointer, x5 // Save FDT pointer
ldr_l x4, kimage_vaddr // Save the offset between
sub x4, x4, x0 // the kernel virtual and
str_l x4, kimage_voffset, x5 // physical mappings
// Clear BSS
adr_l x0, __bss_start
mov x1, xzr
adr_l x2, __bss_stop
sub x2, x2, x0
bl __pi_memset
dsb ishst // Make zero page visible to PTW
add sp, sp, #16
mov x29, #0
mov x30, #0
b start_kernel
ENDPROC(__primary_switched)- init_thread_union就是我们在链接脚本中定义的，也就是0号进程的内核栈的栈底
- add sp, x4, #THREAD_SIZE： 设置堆栈指针SP的值，就是内核栈的栈底+THREAD_SIZE的大小。现在SP指到了内核栈的顶端
- 最终通过b start_kernel就跳转到我们熟悉的linux内核入口处了。
至此0号进程就已经运行起来了。
1号进程
当一条b start_kernel指令运行后，内核就开始的内核的全面初始化操作
asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
char *command_line;
char *after_dashes;
set_task_stack_end_magic(&init_task);
smp_setup_processor_id();
debug_objects_early_init();
cgroup_init_early();
local_irq_disable();
early_boot_irqs_disabled = true;
/*
* Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
* enable them.
*/
boot_cpu_init();
page_address_init();
pr_notice("%s", linux_banner);
setup_arch(&command_line);
/*
* Set up the the initial canary and entropy after arch
* and after adding latent and command line entropy.
*/
add_latent_entropy();
add_device_randomness(command_line, strlen(command_line));
boot_init_stack_canary();
mm_init_cpumask(&init_mm);
setup_command_line(command_line);
setup_nr_cpu_ids();
setup_per_cpu_areas();
smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */
boot_cpu_hotplug_init();
build_all_zonelists(NULL);
page_alloc_init();
。。。。。。。
acpi_subsystem_init();
arch_post_acpi_subsys_init();
sfi_init_late();
/* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
arch_call_rest_init();
}
void __init __weak arch_call_rest_init(void)
{
rest_init();start_kernel函数就是内核各个重要子系统的初始化，比如mm, cpu, sched, irq等等。最后会调用一个rest_init剩余部分初始化
noinline void __ref rest_init(void)
{
struct task_struct *tsk;
int pid;
rcu_scheduler_starting();
/*
* We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however
* the init task will end up wanting to create kthreads, which, if
* we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.
*/
pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
/*
* Pin init on the boot CPU. Task migration is not properly working
* until sched_init_smp() has been run. It will set the allowed
* CPUs for init to the non isolated CPUs.
*/
rcu_read_lock();
tsk = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpumask_of(smp_processor_id()));
rcu_read_unlock();
numa_default_policy();
pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
rcu_read_lock();
kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
rcu_read_unlock();
/*
* Enable might_sleep() and smp_processor_id() checks.
* They cannot be enabled earlier because with CONFIG_PREEMPT=y
* kernel_thread() would trigger might_sleep() splats. With
* CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY=y the init task might have scheduled
* already, but it's stuck on the kthreadd_done completion.
*/
system_state = SYSTEM_SCHEDULING;
complete(&kthreadd_done);
}在这个rest_init函数中我们只关系两点：
- pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
- pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
/*
* Create a kernel thread.
*/
pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags)
{
return _do_fork(flags|CLONE_VM|CLONE_UNTRACED, (unsigned long)fn,
(unsigned long)arg, NULL, NULL, 0);
}很明显这是创建了两个内核线程，而kernel_thread最终会调用do_fork根据参数的不同来创建一个进程或者内核线程。关系do_fork的实现我们在后面会做详细的介绍。当内核线程创建成功后就会调用设置的回调函数。
当kernel_thread(kernel_init)成功返回后，就会调用kernel_init内核线程，其实这时候1号进程已经产生了。接下来看下kernel_init主要做什么事情
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();
ftrace_free_init_mem();
free_initmem();
mark_readonly();
/*
* Kernel mappings are now finalized - update the userspace page-table
* to finalize PTI.
*/
pti_finalize();
system_state = SYSTEM_RUNNING;
numa_default_policy();
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/admin-guide/init.rst for guidance.");
}- kernel_init_freeable函数中就会做各种外设驱动的初始化
- 最主要的工作就是通过execve执行/init可以执行文件。
我们通常将init称为1号进程，其实在刚才kernel_init的时候1号线程已经创建成功，也可以理解kernel_init是1号进程的内核态，而我们所熟知的init进程是用户态的。
至此1号进程就完美的创建成功了，而且也成功执行了init可执行文件。
2号进程
2号进程，是由1号进程创建的。而且2号进程是所有内核线程父进程。
2号进程就是刚才rest_init中创建的另外一个内核线程。kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
当kernel_thread(kthreadd)返回时，2号进程已经创建成功了。而且会回调kthreadd函数
int kthreadd(void *unused)
{
struct task_struct *tsk = current;
/* Setup a clean context for our children to inherit. */
set_task_comm(tsk, "kthreadd");
ignore_signals(tsk);
set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpu_all_mask);
set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);
current->flags |= PF_NOFREEZE;
cgroup_init_kthreadd();
for (;;) {
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
if (list_empty(&kthread_create_list))
schedule();
__set_current_state(TASK_RUNNING);
spin_lock(&kthread_create_lock);
while (!list_empty(&kthread_create_list)) {
struct kthread_create_info *create;
create = list_entry(kthread_create_list.next,
struct kthread_create_info, list);
list_del_init(&create->list);
spin_unlock(&kthread_create_lock);
create_kthread(create);
spin_lock(&kthread_create_lock);
}
spin_unlock(&kthread_create_lock);
}
return 0;
}这段代码大概的意思也很简单明显；
- 设置当前进程的名字为"kthreadd"，也就是task_struct的comm字段
- 然后就是while循环，设置当前的进程的状态是TASK_INTERRUPTIBLE是可以中断的
- 判断kthread_create_list链表是不是空，如果是空则就调度出去，让出cpu
- 如果不是空，则从链表中取出一个，然后调用kthread_create去创建一个内核线程。
- 所以说所有的内核线程的父进程都是2号进程，也就是kthreadd。
总结：
- linux启动的第一个进程是0号进程，是静态创建的
- 在0号进程启动后会接连创建两个进程，分别是1号进程和2和进程。
- 1号进程最终会去调用可init可执行文件，init进程最终会去创建所有的应用进程。
- 2号进程会在内核中负责创建所有的内核线程
- 所以说0号进程是1号和2号进程的父进程；1号进程是所有用户态进程的父进程；2号进程是所有内核线程的父进程。
我们通过ps命令就可以详细的观察到这一现象。
root@ubuntu:zhuxl$ ps -eF
UID PID PPID C SZ RSS PSR STIME TTY TIME CMD
root 1 0 0 56317 5936 2 Feb16 ? 00:00:04 /sbin/init
root 2 0 0 0 0 1 Feb16 ? 00:00:00 [kthreadd]上面很清晰的显示：PID=1的进程是init，PID=2的进程是kthreadd。而他们俩的父进程PPID=0，也就是0号进程。
UID PID PPID C SZ RSS PSR STIME TTY TIME CMD
root 4 2 0 0 0 0 Feb16 ? 00:00:00 [kworker/0:0H]
root 6 2 0 0 0 0 Feb16 ? 00:00:00 [mm_percpu_wq]
root 7 2 0 0 0 0 Feb16 ? 00:00:10 [ksoftirqd/0]
root 8 2 0 0 0 1 Feb16 ? 00:02:11 [rcu_sched]
root 9 2 0 0 0 0 Feb16 ? 00:00:00 [rcu_bh]
root 10 2 0 0 0 0 Feb16 ? 00:00:00 [migration/0]
root 11 2 0 0 0 0 Feb16 ? 00:00:00 [watchdog/0]
root 12 2 0 0 0 0 Feb16 ? 00:00:00 [cpuhp/0]
root 13 2 0 0 0 1 Feb16 ? 00:00:00 [cpuhp/1]
root 14 2 0 0 0 1 Feb16 ? 00:00:00 [watchdog/1]
root 15 2 0 0 0 1 Feb16 ? 00:00:00 [migration/1]
root 16 2 0 0 0 1 Feb16 ? 00:00:11 [ksoftirqd/1]
root 18 2 0 0 0 1 Feb16 ? 00:00:00 [kworker/1:0H]
root 19 2 0 0 0 2 Feb16 ? 00:00:00 [cpuhp/2]
root 20 2 0 0 0 2 Feb16 ? 00:00:00 [watchdog/2]
root 21 2 0 0 0 2 Feb16 ? 00:00:00 [migration/2]
root 22 2 0 0 0 2 Feb16 ? 00:00:11 [ksoftirqd/2]
root 24 2 0 0 0 2 Feb16 ? 00:00:00 [kworker/2:0H]再来看下，所有内核线性的PPI=2， 也就是所有内核线性的父进程都是kthreadd进程。
UID PID PPID C SZ RSS PSR STIME TTY TIME CMD
root 362 1 0 21574 6136 2 Feb16 ? 00:00:03 /lib/systemd/systemd-journald
root 375 1 0 11906 2760 3 Feb16 ? 00:00:01 /lib/systemd/systemd-udevd
systemd+ 417 1 0 17807 2116 3 Feb16 ? 00:00:02 /lib/systemd/systemd-resolved
systemd+ 420 1 0 35997 788 3 Feb16 ? 00:00:00 /lib/systemd/systemd-timesyncd
root 487 1 0 43072 6060 0 Feb16 ? 00:00:00 /usr/bin/python3 /usr/bin/networkd-dispatcher --run-startup-triggers
root 489 1 0 8268 2036 2 Feb16 ? 00:00:00 /usr/sbin/cron -f
root 490 1 0 1138 548 0 Feb16 ? 00:00:01 /usr/sbin/acpid
root 491 1 0 106816 3284 1 Feb16 ? 00:00:00 /usr/sbin/ModemManager
root 506 1 0 27628 2132 2 Feb16 ? 00:00:01 /usr/sbin/irqbalance --foreground所有用户态的进程的父进程PPID=1，也就是1号进程都是他们的父进程。
至此有关0号进程，1号进程，2号进程的内容分析完毕。
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