必要说明
- Android会在Linux Kenerl基础上做一些Android相关的补充，成为Android Common Kernel（ACK），Android Kernel相关的资料，如Android支持Kernel版本、Kernel发版等信息，可以通过官网内核概览 | Android 开源项目 | Android Open Source Project (google.cn)进行查询；
- 文章Android Kernel基于AOSP官方源码common-android14-6.1-lts进行解读，通过查阅资料得知kernel镜像加载后，在C的入口会通过start_kernel进入，因此将此作为起点；
时序图
源码解析
common/init/main.c - start_kernel()
// asmlinkage: 这个修饰符通知编译器函数的参数通过堆栈传递，而不是通过寄存器。在许多体系结构中，默认情况下函数参数通过寄存器传递，但是内核函数通常使用堆栈传递参数，因此使用 asmlinkage 修饰符来明确指示这一点。
// __visible: 这个修饰符通知编译器将函数导出为全局符号，以便其他模块可以访问它。在内核中，一些函数需要被其他模块访问，因此使用 __visible 修饰符来明确指示这一点。
// __init: 这个修饰符通知编译器函数在初始化阶段使用，并且在初始化完成后不再需要。在内核中，有些函数只在启动时期间用到，一旦初始化完成就可以释放它们占用的内存，因此使用 __init 修饰符来明确指示这一点。
// __no_sanitize_address: 这个修饰符通知编译器在进行地址检查时不对该函数进行检查。在内核中，由于一些特殊情况和性能要求，可能需要关闭地址检查，因此使用 __no_sanitize_address 修饰符来明确指示这一点。
asmlinkage __visible void __init __no_sanitize_address start_kernel(void)
{
char *command_line;
char *after_dashes;
set_task_stack_end_magic(&init_task); // 设置任务栈结束标志
smp_setup_processor_id(); // 设置处理器ID
debug_objects_early_init(); // 初始化调试对象
init_vmlinux_build_id(); // 初始化内核的版本信息
cgroup_init_early(); // 提前初始化控制组
local_irq_disable(); // 禁用本地中断
early_boot_irqs_disabled = true; // 提前禁用引导期间的中断
/*
* 中断仍然被禁用。做必要的设置，然后启用中断。
*/
boot_cpu_init(); // 初始化启动CPU
page_address_init(); // 初始化页地址
pr_notice("%s", linux_banner); // 打印内核版本信息
early_security_init(); // 提前初始化安全功能
setup_arch(&command_line); // 设置体系结构相关参数
setup_boot_config(); // 设置引导配置
setup_command_line(command_line); // 设置内核命令行
setup_nr_cpu_ids(); // 设置CPU数量
setup_per_cpu_areas(); // 设置每个CPU的区域
smp_prepare_boot_cpu(); // 处理启动CPU的特定功能
boot_cpu_hotplug_init(); // 启动CPU热插拔初始化
// 更多初始化步骤...
}
这段代码主要负责初始化内核，并启动操作系统的核心功能。
build_all_zonelists(NULL); // 构建所有内存区域列表
page_alloc_init(); // 初始化页面分配器
pr_notice("Kernel command line: %s\n", saved_command_line); // 打印内核命令行
/* 参数可能设置静态键 */
jump_label_init(); // 初始化跳转标签
parse_early_param(); // 解析早期参数
after_dashes = parse_args("Booting kernel",
static_command_line, __start___param,
__stop___param - __start___param,
-1, -1, NULL, &unknown_bootoption);
print_unknown_bootoptions(); // 打印未知的引导选项
if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,
NULL, set_init_arg);
if (extra_init_args)
parse_args("Setting extra init args", extra_init_args,
NULL, 0, -1, -1, NULL, set_init_arg);
/* 架构和非时间跟踪 rng 初始化，在分配器初始化之前 */
random_init_early(command_line); // 提前初始化随机数生成器
// 更多初始化步骤...
/*
* 这些使用大的 bootmem 分配，并且必须在
* kmem_cache_init() 之前完成
*/
setup_log_buf(0); // 设置日志缓冲区
vfs_caches_init_early(); // 提前初始化VFS缓存
sort_main_extable(); // 排序主异常表
trap_init(); // 初始化陷阱
mm_init(); // 初始化内存管理
poking_init(); // 初始化POK功能
ftrace_init(); // 初始化ftrace
/* trace_printk 可以在这里启用 */
early_trace_init(); // 提前初始化跟踪功能
/*
* 在启动任何中断（如定时器中断）之前设置调度器。
* 完整的拓扑设置发生在 smp_init() 时 -
* 但是在此期间我们仍然有一个功能齐全的调度器。
*/
sched_init(); // 初始化调度器
if (WARN(!irqs_disabled(),
"Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))
local_irq_disable(); // 如果在非常早期启用了中断，请修复它
radix_tree_init(); // 初始化基数树
maple_tree_init(); // 初始化枫树
// 更多初始化步骤...
/* 假设在此后 kmem_cache_init() 之后进行 */
console_init(); // 初始化控制台
if (panic_later)
panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
panic_param); // 如果出现过多的启动变量，引发内核恐慌
lockdep_init(); // 初始化锁依赖
/*
* 需要在启用中断时运行此操作，因为它想要自我测试
* [硬件/软件]-irqs on/off锁反转错误
*/
locking_selftest(); // 锁定自测
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {
pr_crit("initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - disabling it.\n",
page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),
min_low_pfn);
initrd_start = 0;
}
#endif
setup_per_cpu_pageset(); // 设置每个CPU的页面集
numa_policy_init(); // 初始化NUMA策略
acpi_early_init(); // 提前初始化ACPI
if (late_time_init)
late_time_init(); // 如果存在 late_time_init，则进行初始化
sched_clock_init(); // 初始化调度时钟
calibrate_delay(); // 校准延迟
arch_cpu_finalize_init(); // CPU架构初始化的最终化
pid_idr_init(); // 初始化进程ID分配器
anon_vma_init(); // 初始化匿名VMA
#ifdef CONFIG_X86
if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))
efi_enter_virtual_mode(); // 如果启用了EFI运行时服务，进入EFI虚拟模式
#endif
thread_stack_cache_init(); // 初始化线程堆栈缓存
cred_init(); // 初始化凭据
fork_init(); // 初始化fork功能
proc_caches_init(); // 初始化proc缓存
uts_ns_init(); // 初始化UTS命名空间
key_init(); // 初始化密钥
security_init(); // 初始化安全功能
dbg_late_init(); // 后期调试功能的初始化
net_ns_init(); // 初始化网络命名空间
vfs_caches_init(); // 初始化VFS缓存
pagecache_init(); // 初始化页面缓存
signals_init(); // 初始化信号
seq_file_init(); // 初始化序列文件
proc_root_init(); // 初始化proc根
nsfs_init(); // 初始化nsfs
cpuset_init(); // 初始化cpuset
cgroup_init(); // 初始化控制组
taskstats_init_early(); // 提前初始化任务统计
acpi_subsystem_init(); // 初始化ACPI子系统
arch_post_acpi_subsys_init(); // ACPI子系统初始化后操作的架构相关初始化
kcsan_init(); // KCSAN（内核代码静态分析器）的初始化
/* 执行余下的init函数，现在内核已经活动了 */
arch_call_rest_init(); // 调用剩余的init函数
prevent_tail_call_optimization(); // 防止尾调用优化
}
可以看到kernel启动的时候，进行了许多环境相关的初始化，如引导CPU、设置缓存、安全信息、内存管理、proc等虚拟文件系统初始化等等；最后再arch_call_rest_init调用其他的init程序；
common/init/main.c - arch_call_rest_init()
// __init 表示该函数在初始化阶段调用，并且初始化完成后不再需要。
// __weak 表示如果有另一个同名函数被定义为强符号（非弱符号），则使用强符号函数，否则使用当前的弱符号函数。
void __init __weak arch_call_rest_init(void)
{
rest_init();
}
arch_call_rest_init方法只是对rest_init进行了调用。
common/init/main.c - rest_init()
// 初始化系统的其余部分
noinline void __ref rest_init(void)
{
struct task_struct *tsk;
int pid;
/*
* 需要先生成init进程，以便它获得pid 1，但是init任务最终会想要创建k线程，
* 如果我们在创建kthreadd之前安排它，就会发生OOPS。
*/
// 在用户模式下创建一个线程，执行kernel_init函数
pid = user_mode_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
/*
* 将init固定在引导CPU上。在运行sched_init_smp()之前，任务迁移不起作用。
* 它将为init设置允许的CPU为非隔离CPU。
*/
rcu_read_lock();
tsk = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
tsk->flags |= PF_NO_SETAFFINITY;
set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpumask_of(smp_processor_id()));
rcu_read_unlock();
// ... 此处省略
}
在rest_init()函数中，在用户模式下创建一个线程，用于执行kernel_init函数，以确保初始化进程获得pid 1。然后将init固定在引导CPU上，并设置允许的CPU为非隔离CPU。
common/init/main.c - kernel_init()
static int __ref kernel_init(void *unused)
{
int ret;
/*
* 等待kthreadd线程设置完成。
*/
wait_for_completion(&kthreadd_done);
// 进行内核初始化的可释放部分
kernel_init_freeable();
/* 需要在释放内存之前完成所有异步 __init 代码 */
async_synchronize_full();
system_state = SYSTEM_FREEING_INITMEM;
kprobe_free_init_mem();
ftrace_free_init_mem();
kgdb_free_init_mem();
exit_boot_config();
free_initmem();
mark_readonly();
/*
* 内核映射现在已经最终化 - 更新用户空间页表
* 以完成PTI。
*/
pti_finalize();
system_state = SYSTEM_RUNNING;
numa_default_policy();
rcu_end_inkernel_boot();
do_sysctl_args();
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);
}
/*
* 我们尝试每个命令，直到一个成功为止。
*
* 如果我们尝试恢复一个真正损坏的机器，则可以使用 Bourne shell 代替 init。
*/
if (execute_command) {
ret = run_init_process(execute_command);
if (!ret)
return 0;
panic("Requested init %s failed (error %d).",
execute_command, ret);
}
if (CONFIG_DEFAULT_INIT[0] != '\0') {
ret = run_init_process(CONFIG_DEFAULT_INIT);
if (ret)
pr_err("Default init %s failed (error %d)\n",
CONFIG_DEFAULT_INIT, ret);
else
return 0;
}
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.");
}
这里主要功能包括等待kthreadd线程设置完成、执行内核初始化的可释放部分、完成异步初始化代码、释放初始化内存、最终化内核映射、设置系统状态为运行中等；
然后尝试**执行一系列的init命令（二进制可执行文件），直到找到一个可行的初始化命令为止，**如果都失败，则会触发内核panic。
common/init/main.c - try_to_run_init_process()
static int try_to_run_init_process(const char *init_filename)
{
int ret;
ret = run_init_process(init_filename);
if (ret && ret != -ENOENT) {
pr_err("Starting init: %s exists but couldn't execute it (error %d)\n",
init_filename, ret);
}
return ret;
}
try_to_run_init_process会进行run_init_process的调用，在调用失败的时候打印错误信息。
common/init/main.c - run_init_process()
static int run_init_process(const char *init_filename)
{
const char *const *p;
argv_init[0] = init_filename;
pr_info("Run %s as init process\n", init_filename);
pr_debug(" with arguments:\n");
for (p = argv_init; *p; p++)
pr_debug(" %s\n", *p);
pr_debug(" with environment:\n");
for (p = envp_init; *p; p++)
pr_debug(" %s\n", *p);
return kernel_execve(init_filename, argv_init, envp_init);
}
这段代码是用于运行初始化进程的函数。通过 kernel_execve 函数来执行该程序。在执行之前，打印出了一些要执行的命令和环境变量信息，以便进行调试和跟踪。
PS
- 因对整个kernel的知识还未完全掌握，没有解读start_kernel之前的代码流程和kernel_execve执行程序的细节；
- 文章仅针对从start_kernel到启动Init的进程的流程进行梳理，如有需要补充或者错误的地方，欢迎即使指正；
- 后续如果笔者能够学会kernel前的知识，如汇编、ld链接脚本等等，再进行补充；对于其他启动，仅做了简单注释；
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