(连载)Android系统源码分析–Android系统启动流程之Linux内核

这是一个连载的博文系列,我将持续为大家提供尽可能透彻的Android源码分析 github连载地址

前言

Android本质上就是一个基于Linux内核的操作系统,与Ubuntu Linux、Fedora Linux类似,我们要讲Android,必定先要了解一些Linux内核的知识。

Linux内核的东西特别多,我也不可能全部讲完,由于本文主要讲解Android系统启动流程,所以这里主要讲一些内核启动相关的知识。

Linux内核启动主要涉及3个特殊的进程,idle进程(PID = 0), init进程(PID = 1)和kthreadd进程(PID = 2),这三个进程是内核的基础。

  • idle进程是Linux系统第一个进程,是init进程和kthreadd进程的父进程
  • init进程是Linux系统第一个用户进程,是Android系统应用程序的始祖,我们的app都是直接或间接以它为父进程
  • kthreadd进程是Linux系统内核管家,所有的内核线程都是直接或间接以它为父进程

本文将以这三个进程为线索,主要讲解以下内容:

  • idle进程启动
  • kthreadd进程启动
  • init进程启动

本文涉及到的文件

msm/arch/arm64/kernel/head.S
msm/init/main.c
msm/kernel/rcutree.c
msm/kernel/fork.c
msm/mm/mempolicy.c
msm/kernel/kthread.c
msm/include/linux/kthread.h
msm/include/linux/rcupdate.h
msm/kernel/rcupdate.c
msm/kernel/pid.c
msm/include/linux/sched.h
msm/kernel/sched/core.c
msm/kernel/cpu/idle.c
msm/drivers/base/init.c

一、idle进程启动

很多文章讲Android都从init进程讲起,它的进程号是1,既然进程号是1,那么有没有进程号是0的进程呢,其实是有的。

这个进程名字叫init_task,后期会退化为idle,它是Linux系统的第一个进程(init进程是第一个用户进程),也是唯一一个没有通过fork或者kernel_thread产生的进程,它在完成初始化操作后,主要负责进程调度、交换。

idle进程的启动是用汇编语言写的,对应文件是msm/arch/arm64/kernel/head.S,因为都是用汇编语言写的,我就不多介绍了,具体可参考 kernel 启动流程之head.S ,这里面有一句比较重要

340     str    x22, [x4]            // Save processor ID
341     str    x21, [x5]            // Save FDT pointer
342     str    x24, [x6]            // Save PHYS_OFFSET
343     mov    x29, #0
344     b    start_kernel        //跳转start_kernel函数

第344行,b start_kernel,b 就是跳转的意思,跳转到start_kernel.h,这个头文件对应的实现在msm/init/main.c,start_kernel函数在最后会调用rest_init函数,这个函数开启了init进程和kthreadd进程,我们着重分析下rest_init函数。

在讲源码前,我先说明下我分析源码的写作风格:

  • 一般我会在函数下面写明该函数所在的位置,比如定义在msm/init/main.c中,这样大家就可以去项目里找到源文件
  • 我会把源码相应的英文注释也一并copy进来,这样方便英文好的人可以看到原作者的注释
  • 我会尽可能将函数中每一行代码的作用注释下(一般以//的形式注释在代码结尾),大家在看源码的同时就可以理解这段代码作用,这也是我花时间最多的,请大家务必认真看。我也想过在源码外部统一通过行号来解释,但是感觉这样需要大家一会儿看源码,一会儿看解释,上下来回看不方便,所以干脆写在一起了
  • 在函数结尾我尽可能总结下这个函数做了些什么,以及这个函数涉及到的一些知识
  • 对于重要的函数,我会将函数中每一个调用的子函数再单独拿出来讲解
  • 考虑到大家都是开发Android的比较多,对C/C++不太了解,在注释中我也会讲一些C/C++的知识,方便大家理解,C语言注释我一般用/ * /的形式注释在代码顶头
  • 为了更好的阅读体验,希望大家可以下载一下Source Insight同步看代码,使用教程 ,可以直接将 项目 中app/src/main/cpp作为目录加入到Source Insight中

1.1 rest_init

定义在msm/init/main.c中

/*
 * C语言oninline与inline是一对意义相反的关键字,inline的作用是编译期间直接替换代码块,也就是说编译后就没有这个方法了,而是直接把代码块替换调用这个函数的地方,oninline就相反,强制不替换,保持原有的函数
 * __init_refok是__init的扩展,__init 定义的初始化函数会放入名叫.init.text的输入段,当内核启动完毕后,这个段中的内存会被释放掉,在本文中有讲,关注3.5 free_initmem。
 * 不带参数的方法会加一个void参数
 */
static noinline void __init_refok rest_init(void)
{
    int pid;
    /*
     * C语言中const相当于Java中的final static, 表示常量
     * struct是结构体,相当于Java中定义了一个实体类,里面只有一些成员变量,{.sched_priority =1 }相当于new,然后将成员变量sched_priority的值赋为1
     */
    const struct sched_param param = { .sched_priority = 1 }; //初始化优先级为1的进程调度策略,取值1~99,1为最小

    rcu_scheduler_starting(); //启动RCU机制,这个与后面的rcu_read_lock和rcu_read_unlock是配套的,用于多核同步
    /*
     * 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.
     */

    /*
     * C语言中支持方法传参,kernel_thread是函数,kernel_init也是函数,但是kernel_init却作为参数传递了过去,其实传递过去的是一个函数指针,参考[函数指针](http://www.cnblogs.com/haore147/p/3647262.html)
     * CLONE_FS这种大写的一般就是常量了,跟Java差不多
     */
    kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND); //用kernel_thread方式创建init进程,CLONE_FS 子进程与父进程共享相同的文件系统,包括root、当前目录、umask,CLONE_SIGHAND  子进程与父进程共享相同的信号处理(signal handler)表
    numa_default_policy(); // 设定NUMA系统的默认内存访问策略
    pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);//用kernel_thread方式创建kthreadd进程,CLONE_FILES  子进程与父进程共享相同的文件描述符(file descriptor)表
    rcu_read_lock(); //打开RCU读取锁,在此期间无法进行进程切换
    /*
     * C语言中&的作用是获得变量的内存地址,参考[C指针](http://www.runoob.com/cprogramming/c-pointers.html)
     */
    kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);// 获取kthreadd的进程描述符,期间需要检索进程pid的使用链表,所以要加锁
    rcu_read_unlock(); //关闭RCU读取锁
    sched_setscheduler_nocheck(kthreadd_task, SCHED_FIFO, &param); //设置kthreadd的进程调度策略,SCHED_FIFO 实时调度策略,即马上调用,先到先服务,param的优先级之前定义为1
    complete(&kthreadd_done); // complete和wait_for_completion是配套的同步机制,跟java的notify和wait差不多,之前kernel_init函数调用了wait_for_completion(&kthreadd_done),这里调用complete就是通知kernel_init进程kthreadd进程已创建完成,可以继续执行

    /*
     * The boot idle thread must execute schedule()
     * at least once to get things moving:
     */
    init_idle_bootup_task(current);//current表示当前进程,当前0号进程init_task设置为idle进程
    schedule_preempt_disabled(); //0号进程主动请求调度,让出cpu,1号进程kernel_init将会运行,并且禁止抢占
    /* Call into cpu_idle with preempt disabled */
    cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);// 这个函数会调用cpu_idle_loop()使得idle进程进入自己的事件处理循环
}

rest_init的字面意思是剩余的初始化,但是它却一点都不剩余,它创建了Linux系统中两个重要的进程init和kthreadd,并且将init_task进程变为idle进程,接下来我将把rest_init中的方法逐个解析,方便大家理解。

1.2 rcu_scheduler_starting

定义在msm/kernel/rcutree.c

/*
 * This function is invoked towards the end of the scheduler's initialization
 * process.  Before this is called, the idle task might contain
 * RCU read-side critical sections (during which time, this idle
 * task is booting the system).  After this function is called, the
 * idle tasks are prohibited from containing RCU read-side critical
 * sections.  This function also enables RCU lockdep checking.
 */
void rcu_scheduler_starting(void)
{
    WARN_ON(num_online_cpus() != 1); //WARN_ON相当于警告,会打印出当前栈信息,不会重启, num_online_cpus表示当前启动的cpu数
    WARN_ON(nr_context_switches() > 0); // nr_context_switches 进行进程切换的次数
    rcu_scheduler_active = 1; //启用rcu机制
}

1.3 kernel_thread

定义在msm/kernel/fork.c

/*
 * Create a kernel thread.
 */

/*
 * C语言中 int (*fn)(void *)表示函数指针的定义,int是返回值,void是函数的参数,fn是名字
 * C语言中 * 表示指针,这个用法很多
 * unsigned表示无符号,一般与long,int,char等结合使用,表示范围只有正数,比如init表示范围-2147483648~2147483647 ,那unsigned表示范围0~4294967295,足足多了一倍
 */
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);
}

do_fork函数用于创建进程,它首先调用copy_process()创建新进程,然后调用wake_up_new_task()将进程放入运行队列中并启动新进程。

kernel_thread的第一个参数是一个函数引用,它相当于Java中的构造函数,会在创建进程后执行,第三个参数是创建进程的方式,具体如下:

参数名 作用
CLONE_PARENT 创建的子进程的父进程是调用者的父进程,新进程与创建它的进程成了“兄弟”而不是“父子”
CLONE_FS 子进程与父进程共享相同的文件系统,包括root、当前目录、umask
CLONE_FILES 子进程与父进程共享相同的文件描述符(file descriptor)表
CLONE_NEWNS 在新的namespace启动子进程,namespace描述了进程的文件hierarchy
CLONE_SIGHAND 子进程与父进程共享相同的信号处理(signal handler)表
CLONE_PTRACE 若父进程被trace,子进程也被trace
CLONE_UNTRACED 若父进程被trace,子进程不被trace
CLONE_VFORK 父进程被挂起,直至子进程释放虚拟内存资源
CLONE_VM 子进程与父进程运行于相同的内存空间
CLONE_PID 子进程在创建时PID与父进程一致
CLONE_THREAD Linux 2.4中增加以支持POSIX线程标准,子进程与父进程共享相同的线程群

1.4 kernel_init

定义在msm/init/main.c

这个函数比较重要,负责init进程的启动,我将放在第三节重点讲,这个函数首先调用kernel_init_freeable函数

static noinline void __init kernel_init_freeable(void)
{
    /*
     * Wait until kthreadd is all set-up.
     */
    wait_for_completion(&kthreadd_done);

    ...
}

wait_for_completion之前讲了,与complete是配套的同步机制,这里就是等待&kthreadd_done这个值complete,然后就可以继续执行

1.5 numa_default_policy

定义在msm/mm/mempolicy.c

/* Reset policy of current process to default */
void numa_default_policy(void)
{
    do_set_mempolicy(MPOL_DEFAULT, 0, NULL); //设定NUMA系统的内存访问策略为MPOL_DEFAULT
}

1.6 kthreadd

定义在msm/kernel/kthread.c中

kthreadd进程我将在第二节中重点讲,它是内核中重要的进程,负责内核线程的调度和管理,内核线程基本都是以它为父进程的

1.7 rcu_read_lock & rcu_read_unlock

定义在msm/include/linux/rcupdate.h和msm/kernel/rcupdate.c中

RCU(Read-Copy Update)是数据同步的一种方式,在当前的Linux内核中发挥着重要的作用。RCU主要针对的数据对象是链表,目的是提高遍历读取数据的效率,为了达到目的使用RCU机制读取数据的时候不对链表进行耗时的加锁操作。这样在同一时间可以有多个线程同时读取该链表,并且允许一个线程对链表进行修改(修改的时候,需要加锁)

static inline void rcu_read_lock(void)
{
    __rcu_read_lock();
    __acquire(RCU);
    rcu_lock_acquire(&rcu_lock_map);
    rcu_lockdep_assert(!rcu_is_cpu_idle(),
               "rcu_read_lock() used illegally while idle");
}

static inline void rcu_read_unlock(void)
{
    rcu_lockdep_assert(!rcu_is_cpu_idle(),
               "rcu_read_unlock() used illegally while idle");
    rcu_lock_release(&rcu_lock_map);
    __release(RCU);
    __rcu_read_unlock();
}

1.8 find_task_by_pid_ns

定义在msm/kernel/pid.c中

task_struct叫进程描述符,这个结构体包含了一个进程所需的所有信息,它定义在msm/include/linux/sched.h文件中。

它的结构十分复杂,本文就不重点讲了,可以参考 Linux进程描述符task_struct结构体详解

/*
 * Must be called under rcu_read_lock().
 */
struct task_struct *find_task_by_pid_ns(pid_t nr, struct pid_namespace *ns)
{
    rcu_lockdep_assert(rcu_read_lock_held(),
               "find_task_by_pid_ns() needs rcu_read_lock()"
               " protection"); //必须进行RCU加锁
    return pid_task(find_pid_ns(nr, ns), PIDTYPE_PID);
}

struct pid *find_pid_ns(int nr, struct pid_namespace *ns)
{
    struct upid *pnr;

    hlist_for_each_entry_rcu(pnr,
            &pid_hash[pid_hashfn(nr, ns)], pid_chain)
            /*
             * C语言中 -> 用于指向结构体 struct 中的数据
             */
        if (pnr->nr == nr && pnr->ns == ns)
            return container_of(pnr, struct pid,
                    numbers[ns->level]); //遍历hash表,找到struct pid

    return NULL;
}

struct task_struct *pid_task(struct pid *pid, enum pid_type type)
{
    struct task_struct *result = NULL;
    if (pid) {
        struct hlist_node *first;
        first = rcu_dereference_check(hlist_first_rcu(&pid->tasks[type]),
                          lockdep_tasklist_lock_is_held());
        if (first)
            result = hlist_entry(first, struct task_struct, pids[(type)].node); //从hash表中找出struct task_struct
    }
    return result;
}

find_task_by_pid_ns的作用就是根据pid,在hash表中获得对应pid的task_struct

1.9 sched_setscheduler_nocheck

定义在msm/kernel/sched/core.c中

int sched_setscheduler_nocheck(struct task_struct *p, int policy,
                   const struct sched_param *param)
{
    struct sched_attr attr = {
        .sched_policy   = policy,
        .sched_priority = param->sched_priority
    };
    return __sched_setscheduler(p, &attr, false); //设置进程调度策略
}

linux内核目前实现了6种调度策略(即调度算法), 用于对不同类型的进程进行调度, 或者支持某些特殊的功能

  • SCHED_FIFO和SCHED_RR和SCHED_DEADLINE则采用不同的调度策略调度实时进程,优先级最高

  • SCHED_NORMAL和SCHED_BATCH调度普通的非实时进程,优先级普通

  • SCHED_IDLE则在系统空闲时调用idle进程,优先级最低

1.10 init_idle_bootup_task

定义在msm/kernel/sched/core.c中

void __cpuinit init_idle_bootup_task(struct task_struct *idle)
{
    idle->sched_class = &idle_sched_class; //设置进程的调度器类为idle_sched_class
}

Linux依据其调度策略的不同实现了5个调度器类, 一个调度器类可以用一种种或者多种调度策略调度某一类进程, 也可以用于特殊情况或者调度特殊功能的进程.

其所属进程的优先级顺序为

stop_sched_class -> dl_sched_class -> rt_sched_class -> fair_sched_class -> idle_sched_class

可见idle_sched_class的优先级最低,只有系统空闲时才调用idle进程

1.11 schedule_preempt_disabled

定义在msm/kernel/sched/core.c中

/**
 * schedule_preempt_disabled - called with preemption disabled
 *
 * Returns with preemption disabled. Note: preempt_count must be 1
 */
void __sched schedule_preempt_disabled(void)
{
    sched_preempt_enable_no_resched(); //开启内核抢占
    schedule();  // 并主动请求调度,让出cpu
    preempt_disable(); // 关闭内核抢占
}

1.9到1.11都涉及到Linux的进程调度问题,可以参考 Linux用户抢占和内核抢占详解

1.12 cpu_startup_entry

定义在msm/kernel/cpu/idle.c中

void cpu_startup_entry(enum cpuhp_state state)
{
    /*
     * This #ifdef needs to die, but it's too late in the cycle to
     * make this generic (arm and sh have never invoked the canary
     * init for the non boot cpus!). Will be fixed in 3.11
     */


     /*
      * C语言中#ifdef和#else、#endif是条件编译语句,也就是说在满足某些条件的时候,夹在这几个关键字中间的代码才编译,不满足就不编译
      * 下面这句话的意思就是如果定义了CONFIG_X86这个宏,就把boot_init_stack_canary这个代码编译进去
      */
#ifdef CONFIG_X86
    /*
     * If we're the non-boot CPU, nothing set the stack canary up
     * for us. The boot CPU already has it initialized but no harm
     * in doing it again. This is a good place for updating it, as
     * we wont ever return from this function (so the invalid
     * canaries already on the stack wont ever trigger).
     */
    boot_init_stack_canary();//只有在x86这种non-boot CPU机器上执行,该函数主要用于初始化stack_canary的值,用于防止栈溢出
#endif
    __current_set_polling(); //设置本架构下面有标示轮询poll的bit位,保证cpu进行重新调度。
    arch_cpu_idle_prepare(); //进行idle前的准备工作,ARM64中没有实现
    per_cpu(idle_force_poll, smp_processor_id()) = 0;
    cpu_idle_loop(); //进入idle进程的事件循环
}

1.13 cpu_idle_loop

定义在msm/kernel/cpu/idle.c中

/*
 * Generic idle loop implementation
 */
static void cpu_idle_loop(void)
{
    while (1) { //开启无限循环,进行进程调度
        tick_nohz_idle_enter(); //停止周期时钟

        while (!need_resched()) { //判断是否有设置TIF_NEED_RESCHED,只有系统没有进程需要调度时才执行while里面操作
            check_pgt_cache();
            rmb();

            local_irq_disable(); //关闭irq中断
            arch_cpu_idle_enter();

            /*
             * In poll mode we reenable interrupts and spin.
             *
             * Also if we detected in the wakeup from idle
             * path that the tick broadcast device expired
             * for us, we don't want to go deep idle as we
             * know that the IPI is going to arrive right
             * away
             */
            if (cpu_idle_force_poll ||
                tick_check_broadcast_expired() ||
                __get_cpu_var(idle_force_poll)) {
                cpu_idle_poll(); //进入 CPU 的poll mode模式,避免进入深度睡眠,可以处理 处理器间中断
            } else {
                if (!current_clr_polling_and_test()) {
                    stop_critical_timings();
                    rcu_idle_enter();
                    arch_cpu_idle(); //进入 CPU 的 idle 模式,省电
                    WARN_ON_ONCE(irqs_disabled());
                    rcu_idle_exit();
                    start_critical_timings();
                } else {
                    local_irq_enable();
                }
                __current_set_polling();
            }
            arch_cpu_idle_exit();
        }
        tick_nohz_idle_exit(); //如果有进程需要调度,则先开启周期时钟
        schedule_preempt_disabled(); //让出cpu,执行调度
        if (cpu_is_offline(smp_processor_id())) //如果当前cpu处理offline状态,关闭idle进程
            arch_cpu_idle_dead();

    }
}

idle进程并不执行什么复杂的工作,只有在系统没有其他进程调度的时候才进入idle进程,而在idle进程中尽可能让cpu空闲下来,连周期时钟也关掉了,达到省电目的。当有其他进程需要调度的时候,马上开启周期时钟,然后让出cpu。

小结

idle进程是Linux系统的第一个进程,进程号是0,在完成系统环境初始化工作之后,开启了两个重要的进程,init进程和kthreadd进程,执行完创建工作之后,开启一个无限循环,负责进程的调度。

二、kthreadd进程启动

之前在rest_init函数中启动了kthreadd进程

pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);

进程创建成功后会执行kthreadd函数

2.1 kthreadd

定义在msm/kernel/kthread.c中

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); //  允许kthreadd在任意CPU上运行
    set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);

    current->flags |= PF_NOFREEZE;

    for (;;) {
        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); //首先将线程状态设置为 TASK_INTERRUPTIBLE, 如果当前没有要创建的线程则主动放弃 CPU 完成调度.此进程变为阻塞态
        if (list_empty(&kthread_create_list)) //  没有需要创建的内核线程
            schedule(); //   执行一次调度, 让出CPU
        __set_current_state(TASK_RUNNING);//  运行到此表示 kthreadd 线程被唤醒(就是我们当前),设置进程运行状态为 TASK_RUNNING
        spin_lock(&kthread_create_lock); //spin_lock和spin_unlock是配套的加锁机制,spin_lock是加锁
        while (!list_empty(&kthread_create_list)) {
            struct kthread_create_info *create;

            create = list_entry(kthread_create_list.next,
                        struct kthread_create_info, list); //kthread_create_list是一个链表,从链表中取出下一个要创建的kthread_create_info,即线程创建信息
            list_del_init(&create->list); //删除create中的list
            spin_unlock(&kthread_create_lock); //解锁

            create_kthread(create); //创建线程

            spin_lock(&kthread_create_lock); 
        }
        spin_unlock(&kthread_create_lock);
    }

    return 0;
}

kthreadd函数的作用就是循环地从kthread_create_list链表中取出要创建的线程,然后执行create_kthread函数,直到kthread_create_list为空,让出CPU,进入睡眠,我们来看下create_kthread函数

2.2 create_kthread

定义在msm/kernel/kthread.c中

static void create_kthread(struct kthread_create_info *create)
{
    int pid;

#ifdef CONFIG_NUMA
    current->pref_node_fork = create->node;
#endif
    /* We want our own signal handler (we take no signals by default). */
    pid = kernel_thread(kthread, create, CLONE_FS | CLONE_FILES | SIGCHLD);
    if (pid result = ERR_PTR(pid);
        complete(&create->done);
    }
}

其实这里面就是调用kernel_thread函数创建进程,然后执行kthread函数,注意不要搞混了,之前那个函数叫kthreadd,接下来看看kthread函数

2.3 kthread

定义在msm/kernel/kthread.c中

static int kthread(void *_create)
{
    /* Copy data: it's on kthread's stack */
    struct kthread_create_info *create = _create;  // create 就是之前kthreadd函数循环取出的 kthread_create_info
    int (*threadfn)(void *data) = create->threadfn; //新线程工作函数
    void *data = create->data;
    struct kthread self;
    int ret;

    self.flags = 0;
    self.data = data;
    init_completion(&self.exited);
    init_completion(&self.parked);
    current->vfork_done = &self.exited;

    /* OK, tell user we're spawned, wait for stop or wakeup */
    __set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
    create->result = current;
    complete(&create->done); //表示线程创建完毕
    schedule(); //让出CPU,注意这里并没有执行新线程的threadfn函数就直接进入睡眠了,然后等待线程被手动唤醒,然后才执行threadfn

    ret = -EINTR;

    if (!test_bit(KTHREAD_SHOULD_STOP, &self.flags)) {
        __kthread_parkme(&self);
        ret = threadfn(data);
    }
    /* we can't just return, we must preserve "self" on stack */
    do_exit(ret);
}

2.4 kthread_create & kthread_run

定义在msm/include/linux/kthread.h

kthreadd创建线程是遍历kthread_create_list列表,那kthread_create_list列表中的值是哪儿来的呢?我们知道Linux创建内核线程有两种方式,kthread_create和kthread_run

#define kthread_create(threadfn, data, namefmt, arg...) 
    kthread_create_on_node(threadfn, data, -1, namefmt, ##arg)

#define kthread_run(threadfn, data, namefmt, ...)               
({                                       
    struct task_struct *__k                           
        = kthread_create(threadfn, data, namefmt, ## __VA_ARGS__); 
    if (!IS_ERR(__k))                           
        wake_up_process(__k);    //手动唤醒新线程                   
    __k;                                   
})

kthread_create和kthread_run并不是函数,而是宏,宏相当于Java中的final static定义,在编译时会替换对应代码,宏的参数没有类型定义,多行宏的定义会在行末尾加上

这两个宏最终都是调用kthread_create_on_node函数,只是kthread_run在线程创建完成后会手动唤醒,我们来看看kthread_create_on_node函数

2.5 kthread_create_on_node

定义在msm/kernel/kthread.c中

/**
 * kthread_create_on_node - create a kthread.
 * @threadfn: the function to run until signal_pending(current).
 * @data: data ptr for @threadfn.
 * @node: memory node number.
 * @namefmt: printf-style name for the thread.
 *
 * Description: This helper function creates and names a kernel
 * thread.  The thread will be stopped: use wake_up_process() to start
 * it.  See also kthread_run().
 *
 * If thread is going to be bound on a particular cpu, give its node
 * in @node, to get NUMA affinity for kthread stack, or else give -1.
 * When woken, the thread will run @threadfn() with @data as its
 * argument. @threadfn() can either call do_exit() directly if it is a
 * standalone thread for which no one will call kthread_stop(), or
 * return when 'kthread_should_stop()' is true (which means
 * kthread_stop() has been called).  The return value should be zero
 * or a negative error number; it will be passed to kthread_stop().
 *
 * Returns a task_struct or ERR_PTR(-ENOMEM).
 */
struct task_struct *kthread_create_on_node(int (*threadfn)(void *data),
                       void *data, int node,
                       const char namefmt[],
                       ...)
{
    struct kthread_create_info create;

    create.threadfn = threadfn;
    create.data = data;
    create.node = node;
    init_completion(&create.done);  //初始化&create.done,之前讲过completion和wait_for_completion同步

    spin_lock(&kthread_create_lock);  //加锁,之前也讲过
    list_add_tail(&create.list, &kthread_create_list);  //将要创建的线程加到kthread_create_list链表尾部
    spin_unlock(&kthread_create_lock);

    wake_up_process(kthreadd_task);  //唤醒kthreadd进程,开启列表循环创建线程
    wait_for_completion(&create.done);  //当&create.done complete时,会继续往下执行

    if (!IS_ERR(create.result)) {
        static const struct sched_param param = { .sched_priority = 0 };
        va_list args;  //不定参数定义,相当于Java中的... ,定义多个数量不定的参数

        va_start(args, namefmt);
        vsnprintf(create.result->comm, sizeof(create.result->comm),
              namefmt, args);
        va_end(args);
        /*
         * root may have changed our (kthreadd's) priority or CPU mask.
         * The kernel thread should not inherit these properties.
         */
        sched_setscheduler_nocheck(create.result, SCHED_NORMAL, &param);  //create.result类型为task_struct,该函数作用是设置新线程调度策略,SCHED_NORMAL 普通调度策略,非实时,优先级低于实时调度策略SCHED_FIFO和SCHED_RR,param的优先级上面定义为0
        set_cpus_allowed_ptr(create.result, cpu_all_mask); //允许新线程在任意CPU上运行
    }
    return create.result;
}

kthread_create_on_node主要作用就是在kthread_create_list链表尾部加上要创建的线程,然后唤醒kthreadd进程进行具体创建工作

小结

kthreadd进程由idle通过kernel_thread创建,并始终运行在内核空间, 负责所有内核线程的调度和管理,所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程。

  • kthreadd进程会执行一个kthreadd的函数,该函数的作用就是遍历kthread_create_list链表,从链表中取出需要创建的内核线程进行创建, 创建成功后会执行kthread函数。

  • kthread函数完成一些初始赋值后就让出CPU,并没有执行新线程的工作函数,因此需要手工 wake up被唤醒后,新线程才执行自己的真正工作函数。

  • 当我们调用kthread_create和kthread_run创建的内核线程会被加入到kthread_create_list链表,kthread_create不会手动wake up新线程,kthread_run会手动wake up新线程。

其实这就是一个典型的生产者消费者模式,kthread_create和kthread_run负责生产各种内核线程创建需求,kthreadd开启循环去消费各种内核线程创建需求。

三、init进程启动

init进程分为前后两部分,前一部分是在内核启动的,主要是完成创建和内核初始化工作,内容都是跟Linux内核相关的;后一部分是在用户空间启动的,主要完成Android系统的初始化工作。

我这里要讲的是前一部分,后一部分将在下一篇文章中讲述。

之前在rest_init函数中启动了init进程

kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);

在创建完init进程后,会调用kernel_init函数

3.1 kernel_init

定义在msm/init/main.c中

/*
 * __ref 这个跟之前讲的__init作用一样
 */
static int __ref kernel_init(void *unused)
{
    kernel_init_freeable(); //进行init进程的一些初始化操作
    /* need to finish all async __init code before freeing the memory */
    async_synchronize_full();// 等待所有异步调用执行完成,,在释放内存前,必须完成所有的异步 __init 代码
    free_initmem();// 释放所有init.* 段中的内存
    mark_rodata_ro(); //arm64空实现
    system_state = SYSTEM_RUNNING;// 设置系统状态为运行状态
    numa_default_policy(); // 设定NUMA系统的默认内存访问策略

    flush_delayed_fput(); // 释放所有延时的struct file结构体

    if (ramdisk_execute_command) { //ramdisk_execute_command的值为"/init"
        if (!run_init_process(ramdisk_execute_command)) //运行根目录下的init程序
            return 0;
        pr_err("Failed to execute %sn", ramdisk_execute_command);
    }

    /*
     * 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) { //execute_command的值如果有定义就去根目录下找对应的应用程序,然后启动
        if (!run_init_process(execute_command))
            return 0;
        pr_err("Failed to execute %s.  Attempting defaults...n",
            execute_command);
    }
    if (!run_init_process("/sbin/init") || //如果ramdisk_execute_command和execute_command定义的应用程序都没有找到,就到根目录下找 /sbin/init,/etc/init,/bin/init,/bin/sh 这四个应用程序进行启动
        !run_init_process("/etc/init") ||
        !run_init_process("/bin/init") ||
        !run_init_process("/bin/sh"))
        return 0;

    panic("No init found.  Try passing init= option to kernel. "
          "See Linux Documentation/init.txt for guidance.");
}

kernel_init主要工作是完成一些init的初始化操作,然后去系统根目录下依次找ramdisk_execute_command和execute_command设置的应用程序,如果这两个目录都找不到,就依次去根目录下找 /sbin/init,/etc/init,/bin/init,/bin/sh 这四个应用程序进行启动,只要这些应用程序有一个启动了,其他就不启动了

ramdisk_execute_command和execute_command的值是通过bootloader传递过来的参数设置的,ramdisk_execute_command通过”rdinit”参数赋值,execute_command通过”init”参数赋值

ramdisk_execute_command如果没有被赋值,kernel_init_freeable函数会赋一个初始值”/init”

3.2 kernel_init_freeable

定义在msm/init/main.c中

static noinline void __init kernel_init_freeable(void)
{
    /*
     * Wait until kthreadd is all set-up.
     */
    wait_for_completion(&kthreadd_done); //等待&kthreadd_done这个值complete,这个在rest_init方法中有写,在ktreadd进程启动完成后设置为complete

    /* Now the scheduler is fully set up and can do blocking allocations */
    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

    /*
     * init can allocate pages on any node
     */
    set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);//init进程可以分配物理页面
    /*
     * init can run on any cpu.
     */
    set_cpus_allowed_ptr(current, cpu_all_mask); //init进程可以在任意cpu上执行

    cad_pid = task_pid(current); //设置到init进程的pid号给cad_pid,cad就是ctrl-alt-del,设置init进程来处理ctrl-alt-del信号

    smp_prepare_cpus(setup_max_cpus);//设置smp初始化时的最大CPU数量,然后将对应数量的CPU状态设置为present

    do_pre_smp_initcalls();//调用__initcall_start到__initcall0_start之间的initcall_t函数指针
    lockup_detector_init(); //开启watchdog_threads,watchdog主要用来监控、管理CPU的运行状态

    smp_init();//启动cpu0外的其他cpu核
    sched_init_smp(); //进程调度域初始化

    do_basic_setup();//初始化设备,驱动等,这个方法比较重要,将在下面单独讲

    /* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */
    if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0) // 打开/dev/console,文件号0,作为init进程标准输入
        pr_err("Warning: unable to open an initial console.n");

    (void) sys_dup(0);// 标准输入
    (void) sys_dup(0);// 标准输出
    /*
     * check if there is an early userspace init.  If yes, let it do all
     * the work
     */

    if (!ramdisk_execute_command)  //如果 ramdisk_execute_command 没有赋值,则赋值为"/init",之前有讲到
        ramdisk_execute_command = "/init";

    if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) { // 尝试进入ramdisk_execute_command指向的文件,如果失败则重新挂载根文件系统
        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 default modules */
    load_default_modules(); // 加载I/O调度的电梯算法
}

kernel_init_freeable函数做了很多重要的事情

  • 启动了smp,smp全称是Symmetrical Multi-Processing,即对称多处理,是指在一个计算机上汇集了一组处理器(多CPU),各CPU之间共享内存子系统以及总线结构。
  • 初始化设备和驱动程序
  • 打开标准输入和输出
  • 初始化文件系统

3.3 do_basic_setup

定义在msm/init/main.c中

/*
 * Ok, the machine is now initialized. None of the devices
 * have been touched yet, but the CPU subsystem is up and
 * running, and memory and process management works.
 *
 * Now we can finally start doing some real work..
 */
static void __init do_basic_setup(void)
{
    cpuset_init_smp();//针对SMP系统,初始化内核control group的cpuset子系统。
    usermodehelper_init();// 创建khelper单线程工作队列,用于协助新建和运行用户空间程序
    shmem_init();// 初始化共享内存
    driver_init();// 初始化设备驱动,比较重要下面单独讲
    init_irq_proc();//创建/proc/irq目录, 并初始化系统中所有中断对应的子目录
    do_ctors();// 执行内核的构造函数
    usermodehelper_enable();// 启用usermodehelper
    do_initcalls();//遍历initcall_levels数组,调用里面的initcall函数,这里主要是对设备、驱动、文件系统进行初始化,之所有将函数封装到数组进行遍历,主要是为了好扩展
    random_int_secret_init();//初始化随机数生成池
}

3.4 driver_init

定义在msm/drivers/base/init.c中

/**
 * driver_init - initialize driver model.
 *
 * Call the driver model init functions to initialize their
 * subsystems. Called early from init/main.c.
 */
void __init driver_init(void)
{
    /* These are the core pieces */
    devtmpfs_init();// 注册devtmpfs文件系统,启动kdevtmpfs进程
    devices_init();// 初始化驱动模型中的部分子系统,kset:devices 和 kobject:dev、 dev/block、 dev/char
    buses_init();// 初始化驱动模型中的bus子系统,kset:bus、devices/system
    classes_init();// 初始化驱动模型中的class子系统,kset:class
    firmware_init();// 初始化驱动模型中的firmware子系统 ,kobject:firmware
    hypervisor_init();// 初始化驱动模型中的hypervisor子系统,kobject:hypervisor

    /* These are also core pieces, but must come after the
     * core core pieces.
     */
    platform_bus_init();// 初始化驱动模型中的bus/platform子系统,这个节点是所有platform设备和驱动的总线类型,即所有platform设备和驱动都会挂载到这个总线上
    cpu_dev_init(); // 初始化驱动模型中的devices/system/cpu子系统,该节点包含CPU相关的属性
    memory_dev_init();//初始化驱动模型中的/devices/system/memory子系统,该节点包含了内存相关的属性,如块大小等
}

这个函数完成驱动子系统的构建,实现了Linux设备驱动的一个整体框架,但是它只是建立了目录结构,具体驱动的装载是在do_initcalls函数,之前有讲

kernel_init_freeable函数告一段落了,我们接着讲kernel_init中剩余的函数

3.5 free_initmem

定义在msm/arch/arm64/mm/init.c中中

void free_initmem(void)
{
    poison_init_mem(__init_begin, __init_end - __init_begin);
    free_initmem_default(0);
}

所有使用 init标记过的函数和使用 initdata标记过的数据,在free_initmem函数执行后,都不能使用,它们曾经获得的内存现在可以重新用于其他目的。

3.6 flush_delayed_fput

定义在msm/arch/arm64/mm/init.c中,它执行的是delayed_fput(NULL)

static void delayed_fput(struct work_struct *unused)
{
    LIST_HEAD(head);
    spin_lock_irq(&delayed_fput_lock);
    list_splice_init(&delayed_fput_list, &head);
    spin_unlock_irq(&delayed_fput_lock);
    while (!list_empty(&head)) {
        struct file *f = list_first_entry(&head, struct file, f_u.fu_list);
        list_del_init(&f->f_u.fu_list); //删除fu_list
        __fput(f); //释放struct file
    }
}

这个函数主要用于释放&delayed_fput_list这个链表中的struct file,struct file即文件结构体,代表一个打开的文件,系统中的每个打开的文件在内核空间都有一个关联的 struct file。

3.7 run_init_process

定义在msm/init/main.c中

static int run_init_process(const char *init_filename)
{
    argv_init[0] = init_filename;
    return do_execve(init_filename,
        (const char __user *const __user *)argv_init,
        (const char __user *const __user *)envp_init); //do_execve就是执行一个可执行文件
}

run_init_process就是运行可执行文件了,从kernel_init函数中可知,系统会依次去找根目录下的init,execute_command,/sbin/init,/etc/init,/bin/init,/bin/sh这六个可执行文件,只要找到其中一个,其他就不执行。

Android系统一般会在根目录下放一个init的可执行文件,也就是说Linux系统的init进程在内核初始化完成后,就直接执行init这个文件,这个文件的源代码在platform/system/core/init/init.cpp,下一篇文章中我将从这个文件为入口,讲解Android系统的init进程。

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