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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

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:

linux内核学习(三)之init进程学习(上)

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。

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