Linux内核学习：init进程详解（上）

大家周末好，今天继续为大家分享Linux内核学习。上次我们讲到了Linux内核启动分析的前期准备工作，但还没有深入分析Linux内核的具体启动过程。这次我将采取另一种方式来分享，即先介绍Linux系统在启动后是如何工作的，然后再反过来具体分析Linux内核的启动过程。启动过程涉及一些汇编语言，而此时具体分析C语言代码，将真正考验大家的C语言基础功力。关于C语言的基本使用，大家可以查看我之前整理的C语言用法专辑，方便查阅。

一、init进程实现了从内核态到用户态的转换：

1、一个进程的两种状态：

这里所说的一个进程的两种状态，指的是进程状态的转换。在介绍这种状态转换之前，我们先了解一下什么是init进程。它是Linux系统启动后运行的第一个进程（关于进程的学习，可以参考我之前分享的Linux应用编程专辑，有详细的介绍）。init进程刚开始运行时处于内核态，它是一个内核线程，然后它运行了一个用户态下的程序后，强制将自己转换为用户态。由于init进程完成了从内核态到用户态的过渡，因此后续的其他进程都可以工作在用户态下。

2、内核态下做了什么？

在内核态下，主要完成了一项关键任务，即挂载根文件系统并尝试找到用户态下的init程序。init进程要转换为用户态，必须运行一个用户态的应用程序（通常也称为init），要运行这个应用程序就必须找到它，而找到它需要挂载根文件系统，因为所有应用程序都在文件系统中。内核源代码中的所有函数都运行在内核态下，执行任何一个函数都不能脱离内核态。应用程序必须不属于内核源代码，这样才能保证是用户态。也就是说，我们这里执行的init程序与内核是分开的，它由根文件系统提供。

打个不恰当的比喻，比如建房子，你必须先打好地基，然后才能在地基上砌砖进行各种操作。

3、用户态下做了什么？

init进程的大部分有意义的工作都是在用户态下进行的。init进程对于操作系统的意义在于：所有其他用户进程都直接或间接地由init进程派生。

4、如何从内核态跳转到用户态？还能返回吗？

init进程在内核态下，通过函数kernel_execve执行一个用户空间编译连接的应用程序，从而跳转到用户态。注意，这个跳转过程中进程号没有改变，所以一直是进程1。这个跳转过程是单向的，一旦执行了init程序转到用户态，整个操作系统就真正运转起来了，以后只能在用户态下工作。如果想从用户态进入内核态，只能通过API这一条路。这就是大家经常看到的操作系统大致框架描述：

上层：表示我们的应用程序，在Linux中我们有相应的API（或自己编写的）

中间层：就是我们的内核，即操作系统

底层：是实实在在的硬件电路（当然在操作系统和硬件之间有一个启动程序，即我们常说的U-Boot）。

具体的kernel_execve函数如下（这里暂不分析，让大家理性地感受一下第一次看Linux内核代码的感受，主要面向第一次接触Linux代码的朋友）：

int kernel_execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]){
    struct pt_regs regs;
    int ret;
    memset(®s, 0, sizeof(struct pt_regs));
    ret = do_execve((char *)filename, (char __user * __user *)argv,
                    (char __user * __user *)envp, ®s);
    if (ret 

二、init进程构建了用户交互界面：

如上所述，init进程切换到用户态后，以后对操作系统的操作只能在用户态下进行。这些操作就是我们的进程操作，和Windows中的实际应用程序一样，一个程序就是一个进程。比如在Windows任务管理器中可以看到如下图所示：

在我们的Linux系统中，init进程转换为用户态后，会有一些我们熟悉的进程操作：login进程、命令行进程、shell进程（shell，我们都很熟悉，人机交互的图形化界面），并且shell进程还会启动其他用户进程。然后在命令行和shell进程开始工作后，用户就可以通过./xx的方式在命令行下执行其他应用程序，每个应用程序的运行就是一个进程。

三、总结：

为什么要将init进程的状态转换到用户态（这就像一张纸，你可以在上面随意涂鸦，但一旦纸张破损，可能就无法操作了）？实际上，操作系统内核中的内容不能随意更改，这样做也是为了保护操作系统内核。就像房子不能把地基搞垮一样，如果把地基搞垮了，房子就完蛋了；如果你把操作系统搞挂了，电脑也玩完了，最常见的就是在Windows系统下经常遇到的蓝屏问题。以上理解纯属个人观点，如有误，请指出。