一、实验内容：跟踪分析 Linux 内核的启动过程

二、实验过程

1、使用实验楼的虚拟机打开 shell（指令如下所示），内核启动完成后进入 menu程序，支持三个命令 help、version 和 quit。

cd ~/LinuxKernel/
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

运行情况如下图所示：

2、使用 gdb 跟踪调试内核（指令如下所示）：

$ qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S

# 关于-s和-S选项的说明：
# 1. -S
#   -S freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)
# 2. -s
#   -s shorthand for -gdb tcp::1234
# 若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项

运行情况如下图所示：

3、再打开另外一个 shell 窗口（指令如下所示），启动gdb，把内核加载进来，建立连接。

cd ~/LinuxKernel/

# 打开 GDB 调试器
 gdb

# 在 GDB 中输入以下命令：

# 在gdb界面中targe remote之前加载符号表
（gdb）file linux-3.18.6/vmlinux

# 建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行
（gdb）target remote:1234

# 断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后
（gdb）break start_kernel

在start_kernel处设置断点，刚才是stop状态，如果输入“c”则继续执行，则系统开始启动执行，启动到start_kernel函数的位置停在断点处。

运行状态如下图所示，可以在断点查看代码，可以看到start_kernel上下的代码。

4、类似地，再设置一个断点rest_init,继续执行，停在断点处。

运行截图如下所示。断点为rest_init，可以看到rest_init是在start_kernel的尾部进行调用的。 

 三、分析

1、start_kernel函数相当于C语言中的main函数，start_kernel是一切的起点，在此函数调用之前，内核代码主要是用汇编代码写的，用于硬件的初始化工作，为C代码的运行设置环境。

如下为start_kernel函数涉及内核的模块及功能：

lockdep_init(); //死锁检测模块初始化
debug_objects_early_init(); //初始化堆栈 此堆栈有额外的越界保护功能
page_address_init(); //初始化页表地址
pidhash_init(); //给新进程分配进程号
mm_init(); //初始化内存管理
sched_init(); //启动调度器
radix_tree_init(); //init some links before init_ISA_irqs() //初始化中断

2、通过rest_init新建kernel_init和kthreadd内核线程。

3、init_task和kernel_thread()对比：

kernel_thread()是fork出的一个新进程来执行kernel_init函数，而init_task是使用宏进行初始化的。也就是说，在本次实验的代码中，0号进程不是系统通过kernel_thread()方式（即fork方式）创建的（init_task是唯一没有通过fork方式产生的进程）。

四、总结

1、本次实验涉及进程的一些相关知识，对进程和线程知识进行了整理：

进程：指在系统中能够独立运行并作为资源分配的基本单位，进程只能由父进程建立。
进程的个体是完全独立的，而线程间是彼此依存的。

线程：是进程中的一个实体，作为系统调度的基本单位。

多进程环境中，任何一个进程的终止，不会影响到其他进程。而多线程环境中，父线程
终止，全部子线程被迫终止(没有了资源)。而任何一个子线程终止一般不会影响其他线程
，除非子线程执行了exit()系统调用。任何一个子线程执行exit()，全部线程同时灭亡。

可以看出，进程和线程是包含的关系。

2、idle进程：init_task在创建了init进程后，调用cpu_idle（）后演变为idle进程。

3、1号进程：在init_task演变为idle进程后，执行一次调度，init进程运行，1号内核线程负责执行内核的部分初始化工作及进行系统配置，然后调用do_execve加载init程序，演变成init进程(用户态1号进程)，init进程是内核启动的第一个用户态进程。

4、kthreadd(PID为2)进程由0号进程创建，始终运行在内核空间，负责所有内核线程的调度和管理。