這是一個連載的博文系列，我將持續(xù)為大家提供盡可能透徹的Android源碼分析 github連載地址

前言

Android本質上就是一個基于Linux內核的操作系統(tǒng)，與Ubuntu Linux、Fedora Linux類似，我們要講Android，必定先要了解一些Linux內核的知識。

Linux內核的東西特別多，我也不可能全部講完，由于本文主要講解Android系統(tǒng)啟動流程，所以這里主要講一些內核啟動相關的知識。

Linux內核啟動主要涉及3個特殊的進程，idle進程(PID = 0), init進程(PID = 1)和kthreadd進程(PID = 2)，這三個進程是內核的基礎。

• idle進程是Linux系統(tǒng)第一個進程，是init進程和kthreadd進程的父進程
• init進程是Linux系統(tǒng)第一個用戶進程，是Android系統(tǒng)應用程序的始祖，我們的app都是直接或間接以它為父進程
• kthreadd進程是Linux系統(tǒng)內核管家，所有的內核線程都是直接或間接以它為父進程

本文將以這三個進程為線索，主要講解以下內容：

• idle進程啟動
• kthreadd進程啟動
• init進程啟動

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進程啟動

很多文章講Android都從init進程講起，它的進程號是1，既然進程號是1，那么有沒有進程號是0的進程呢，其實是有的。

這個進程名字叫init_task，后期會退化為idle，它是Linux系統(tǒng)的第一個進程(init進程是第一個用戶進程)，也是唯一一個沒有通過fork或者kernel_thread產生的進程，它在完成初始化操作后，主要負責進程調度、交換。

idle進程的啟動是用匯編語言寫的，對應文件是msm/arch/arm64/kernel/head.S，因為都是用匯編語言寫的，我就不多介紹了，具體可參考 kernel 啟動流程之head.S ,這里面有一句比較重要

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        //跳轉start_kernel函數

第344行，b start_kernel，b 就是跳轉的意思，跳轉到start_kernel.h，這個頭文件對應的實現在msm/init/main.c，start_kernel函數在最后會調用rest_init函數，這個函數開啟了init進程和kthreadd進程，我們著重分析下rest_init函數。

在講源碼前，我先說明下我分析源碼的寫作風格：

• 一般我會在函數下面寫明該函數所在的位置，比如定義在msm/init/main.c中，這樣大家就可以去項目里找到源文件
• 我會把源碼相應的英文注釋也一并copy進來，這樣方便英文好的人可以看到原作者的注釋
• 我會盡可能將函數中每一行代碼的作用注釋下(一般以//的形式注釋在代碼結尾)，大家在看源碼的同時就可以理解這段代碼作用，這也是我花時間最多的,請大家務必認真看。我也想過在源碼外部統(tǒng)一通過行號來解釋，但是感覺這樣需要大家一會兒看源碼，一會兒看解釋，上下來回看不方便，所以干脆寫在一起了
• 在函數結尾我盡可能總結下這個函數做了些什么，以及這個函數涉及到的一些知識
• 對于重要的函數，我會將函數中每一個調用的子函數再單獨拿出來講解
• 考慮到大家都是開發(fā)Android的比較多，對C/C++不太了解，在注釋中我也會講一些C/C++的知識，方便大家理解，C語言注釋我一般用/** */的形式注釋在代碼頂頭
• 為了更好的閱讀體驗，希望大家可以下載一下Source Insight同步看代碼，使用教程 ,可以直接將項目中app/src/main/cpp作為目錄加入到Source Insight中

1.1 rest_init

定義在msm/init/main.c中

/*
 * C語言oninline與inline是一對意義相反的關鍵字，inline的作用是編譯期間直接替換代碼塊，也就是說編譯后就沒有這個方法了，而是直接把代碼塊替換調用這個函數的地方，oninline就相反，強制不替換，保持原有的函數
 * __init_refok是__init的擴展，__init 定義的初始化函數會放入名叫.init.text的輸入段，當內核啟動完畢后，這個段中的內存會被釋放掉，在本文中有講，關注3.5 free_initmem。
 * 不帶參數的方法會加一個void參數
 */
static noinline void __init_refok rest_init(void)
{
    int pid;
    /*
     * C語言中const相當于Java中的final static， 表示常量
     * struct是結構體，相當于Java中定義了一個實體類，里面只有一些成員變量，{.sched_priority =1 }相當于new，然后將成員變量sched_priority的值賦為1
     */
    const struct sched_param param = { .sched_priority = 1 }; //初始化優(yōu)先級為1的進程調度策略，取值1~99，1為最小

    rcu_scheduler_starting(); //啟動RCU機制，這個與后面的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語言中支持方法傳參，kernel_thread是函數，kernel_init也是函數，但是kernel_init卻作為參數傳遞了過去，其實傳遞過去的是一個函數指針,參考[函數指針](http://www.cnblogs.com/haore147/p/3647262.html)
     * CLONE_FS這種大寫的一般就是常量了，跟Java差不多
     */
    kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND); //用kernel_thread方式創(chuàng)建init進程，CLONE_FS 子進程與父進程共享相同的文件系統(tǒng)，包括root、當前目錄、umask，CLONE_SIGHAND  子進程與父進程共享相同的信號處理（signal handler）表
    numa_default_policy(); // 設定NUMA系統(tǒng)的默認內存訪問策略
    pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);//用kernel_thread方式創(chuàng)建kthreadd進程，CLONE_FILES  子進程與父進程共享相同的文件描述符（file descriptor）表
    rcu_read_lock(); //打開RCU讀取鎖，在此期間無法進行進程切換
    /*
     * C語言中&的作用是獲得變量的內存地址，參考[C指針](http://www.runoob.com/cprogramming/c-pointers.html)
     */
    kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);// 獲取kthreadd的進程描述符，期間需要檢索進程pid的使用鏈表，所以要加鎖
    rcu_read_unlock(); //關閉RCU讀取鎖
    sched_setscheduler_nocheck(kthreadd_task, SCHED_FIFO, &param); //設置kthreadd的進程調度策略，SCHED_FIFO 實時調度策略，即馬上調用，先到先服務，param的優(yōu)先級之前定義為1
    complete(&kthreadd_done); // complete和wait_for_completion是配套的同步機制，跟java的notify和wait差不多，之前kernel_init函數調用了wait_for_completion(&kthreadd_done)，這里調用complete就是通知kernel_init進程kthreadd進程已創(chuàng)建完成，可以繼續(xù)執(zhí)行

    /*
     * The boot idle thread must execute schedule()
     * at least once to get things moving:
     */
    init_idle_bootup_task(current);//current表示當前進程，當前0號進程init_task設置為idle進程
    schedule_preempt_disabled(); //0號進程主動請求調度，讓出cpu，1號進程kernel_init將會運行,并且禁止搶占
    /* Call into cpu_idle with preempt disabled */
    cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);// 這個函數會調用cpu_idle_loop()使得idle進程進入自己的事件處理循環(huán)
}

rest_init的字面意思是剩余的初始化，但是它卻一點都不剩余，它創(chuàng)建了Linux系統(tǒng)中兩個重要的進程init和kthreadd，并且將init_task進程變?yōu)閕dle進程，接下來我將把rest_init中的方法逐個解析，方便大家理解。

1.2 rcu_scheduler_starting

定義在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相當于警告，會打印出當前棧信息，不會重啟， num_online_cpus表示當前啟動的cpu數
    WARN_ON(nr_context_switches() > 0); // nr_context_switches 進行進程切換的次數
    rcu_scheduler_active = 1; //啟用rcu機制
}

1.3 kernel_thread

定義在msm/kernel/fork.c

/*
 * Create a kernel thread.
 */
 
/*
 * C語言中 int (*fn)(void *)表示函數指針的定義，int是返回值，void是函數的參數，fn是名字
 * C語言中 * 表示指針，這個用法很多
 * unsigned表示無符號，一般與long,int,char等結合使用，表示范圍只有正數，比如init表示范圍-2147483648～2147483647 ，那unsigned表示范圍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函數用于創(chuàng)建進程，它首先調用copy_process()創(chuàng)建新進程，然后調用wake_up_new_task()將進程放入運行隊列中并啟動新進程。
kernel_thread的第一個參數是一個函數引用，它相當于Java中的構造函數，會在創(chuàng)建進程后執(zhí)行，第三個參數是創(chuàng)建進程的方式，具體如下：

1.4 kernel_init

定義在msm/init/main.c

這個函數比較重要，負責init進程的啟動，我將放在第三節(jié)重點講，這個函數首先調用kernel_init_freeable函數

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

    ...
}

wait_for_completion之前講了，與complete是配套的同步機制，這里就是等待&kthreadd_done這個值complete，然后就可以繼續(xù)執(zhí)行

1.5 numa_default_policy

定義在msm/mm/mempolicy.c

/* Reset policy of current process to default */
void numa_default_policy(void)
{
    do_set_mempolicy(MPOL_DEFAULT, 0, NULL); //設定NUMA系統(tǒng)的內存訪問策略為MPOL_DEFAULT
}

1.6 kthreadd

定義在msm/kernel/kthread.c中

kthreadd進程我將在第二節(jié)中重點講，它是內核中重要的進程，負責內核線程的調度和管理，內核線程基本都是以它為父進程的

1.7 rcu_read_lock & rcu_read_unlock

定義在msm/include/linux/rcupdate.h和msm/kernel/rcupdate.c中

RCU（Read-Copy Update）是數據同步的一種方式，在當前的Linux內核中發(fā)揮著重要的作用。RCU主要針對的數據對象是鏈表，目的是提高遍歷讀取數據的效率，為了達到目的使用RCU機制讀取數據的時候不對鏈表進行耗時的加鎖操作。這樣在同一時間可以有多個線程同時讀取該鏈表，并且允許一個線程對鏈表進行修改（修改的時候，需要加鎖）

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

定義在msm/kernel/pid.c中

task_struct叫進程描述符，這個結構體包含了一個進程所需的所有信息，它定義在msm/include/linux/sched.h文件中。

它的結構十分復雜，本文就不重點講了，可以參考Linux進程描述符task_struct結構體詳解

/*
 * 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"); //必須進行RCU加鎖
    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語言中 -> 用于指向結構體 struct 中的數據
             */
        if (pnr->nr == nr && pnr->ns == ns)
            return container_of(pnr, struct pid,
                    numbers[ns->level]); //遍歷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); //從hash表中找出struct task_struct
    }
    return result;
}

find_task_by_pid_ns的作用就是根據pid，在hash表中獲得對應pid的task_struct

1.9 sched_setscheduler_nocheck

定義在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); //設置進程調度策略
}

linux內核目前實現了6種調度策略(即調度算法), 用于對不同類型的進程進行調度, 或者支持某些特殊的功能

• SCHED_FIFO和SCHED_RR和SCHED_DEADLINE則采用不同的調度策略調度實時進程，優(yōu)先級最高

• SCHED_NORMAL和SCHED_BATCH調度普通的非實時進程，優(yōu)先級普通

• SCHED_IDLE則在系統(tǒng)空閑時調用idle進程，優(yōu)先級最低

1.10 init_idle_bootup_task

定義在msm/kernel/sched/core.c中

void __cpuinit init_idle_bootup_task(struct task_struct *idle)
{
    idle->sched_class = &idle_sched_class; //設置進程的調度器類為idle_sched_class
}

Linux依據其調度策略的不同實現了5個調度器類, 一個調度器類可以用一種種或者多種調度策略調度某一類進程, 也可以用于特殊情況或者調度特殊功能的進程.

其所屬進程的優(yōu)先級順序為

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

可見idle_sched_class的優(yōu)先級最低，只有系統(tǒng)空閑時才調用idle進程

1.11 schedule_preempt_disabled

定義在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(); //開啟內核搶占
    schedule();  // 并主動請求調度，讓出cpu
    preempt_disable(); // 關閉內核搶占
}

1.9到1.11都涉及到Linux的進程調度問題，可以參考 Linux用戶搶占和內核搶占詳解

1.12 cpu_startup_entry

定義在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語言中#ifdef和#else、#endif是條件編譯語句，也就是說在滿足某些條件的時候，夾在這幾個關鍵字中間的代碼才編譯，不滿足就不編譯
      * 下面這句話的意思就是如果定義了CONFIG_X86這個宏，就把boot_init_stack_canary這個代碼編譯進去
      */
#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這種non-boot CPU機器上執(zhí)行，該函數主要用于初始化stack_canary的值,用于防止棧溢出
#endif
    __current_set_polling(); //設置本架構下面有標示輪詢poll的bit位，保證cpu進行重新調度。
    arch_cpu_idle_prepare(); //進行idle前的準備工作，ARM64中沒有實現
    per_cpu(idle_force_poll, smp_processor_id()) = 0;
    cpu_idle_loop(); //進入idle進程的事件循環(huán)
}

1.13 cpu_idle_loop

定義在msm/kernel/cpu/idle.c中

/*
 * Generic idle loop implementation
 */
static void cpu_idle_loop(void)
{
    while (1) { //開啟無限循環(huán)，進行進程調度
        tick_nohz_idle_enter(); //停止周期時鐘

        while (!need_resched()) { //判斷是否有設置TIF_NEED_RESCHED，只有系統(tǒng)沒有進程需要調度時才執(zhí)行while里面操作
            check_pgt_cache();
            rmb();

            local_irq_disable(); //關閉irq中斷
            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(); //進入 CPU 的poll mode模式，避免進入深度睡眠，可以處理 處理器間中斷
            } else {
                if (!current_clr_polling_and_test()) {
                    stop_critical_timings();
                    rcu_idle_enter();
                    arch_cpu_idle(); //進入 CPU 的 idle 模式，省電
                    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(); //如果有進程需要調度，則先開啟周期時鐘
        schedule_preempt_disabled(); //讓出cpu，執(zhí)行調度
        if (cpu_is_offline(smp_processor_id())) //如果當前cpu處理offline狀態(tài)，關閉idle進程
            arch_cpu_idle_dead();

    }
}

idle進程并不執(zhí)行什么復雜的工作，只有在系統(tǒng)沒有其他進程調度的時候才進入idle進程，而在idle進程中盡可能讓cpu空閑下來，連周期時鐘也關掉了，達到省電目的。當有其他進程需要調度的時候，馬上開啟周期時鐘，然后讓出cpu。

小結

idle進程是Linux系統(tǒng)的第一個進程，進程號是0，在完成系統(tǒng)環(huán)境初始化工作之后，開啟了兩個重要的進程，init進程和kthreadd進程，執(zhí)行完創(chuàng)建工作之后，開啟一個無限循環(huán)，負責進程的調度。

二、kthreadd進程啟動

之前在rest_init函數中啟動了kthreadd進程

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

進程創(chuàng)建成功后會執(zhí)行kthreadd函數

2.1 kthreadd

定義在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); //  允許kthreadd在任意CPU上運行
    set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);

    current->flags |= PF_NOFREEZE;

    for (;;) {
        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); //首先將線程狀態(tài)設置為 TASK_INTERRUPTIBLE, 如果當前沒有要創(chuàng)建的線程則主動放棄 CPU 完成調度.此進程變?yōu)樽枞麘B(tài)
        if (list_empty(&kthread_create_list)) //  沒有需要創(chuàng)建的內核線程
            schedule(); //   執(zhí)行一次調度, 讓出CPU
        __set_current_state(TASK_RUNNING);//  運行到此表示 kthreadd 線程被喚醒(就是我們當前),設置進程運行狀態(tài)為 TASK_RUNNING
        spin_lock(&kthread_create_lock); //spin_lock和spin_unlock是配套的加鎖機制，spin_lock是加鎖
        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是一個鏈表，從鏈表中取出下一個要創(chuàng)建的kthread_create_info,即線程創(chuàng)建信息
            list_del_init(&create->list); //刪除create中的list
            spin_unlock(&kthread_create_lock); //解鎖

            create_kthread(create); //創(chuàng)建線程

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

    return 0;
}

kthreadd函數的作用就是循環(huán)地從kthread_create_list鏈表中取出要創(chuàng)建的線程，然后執(zhí)行create_kthread函數，直到kthread_create_list為空，讓出CPU,進入睡眠，我們來看下create_kthread函數

2.2 create_kthread

定義在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 < 0) {
        create->result = ERR_PTR(pid);
        complete(&create->done);
    }
}

其實這里面就是調用kernel_thread函數創(chuàng)建進程，然后執(zhí)行kthread函數，注意不要搞混了，之前那個函數叫kthreadd，接下來看看kthread函數

2.3 kthread

定義在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函數循環(huán)取出的 kthread_create_info
    int (*threadfn)(void *data) = create->threadfn; //新線程工作函數
    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); //表示線程創(chuàng)建完畢
    schedule(); //讓出CPU，注意這里并沒有執(zhí)行新線程的threadfn函數就直接進入睡眠了，然后等待線程被手動喚醒，然后才執(zhí)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

定義在msm/include/linux/kthread.h

kthreadd創(chuàng)建線程是遍歷kthread_create_list列表，那kthread_create_list列表中的值是哪兒來的呢？我們知道Linux創(chuàng)建內核線程有兩種方式，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);   //手動喚醒新線程                  \
    __k;                                   \
})

kthread_create和kthread_run并不是函數，而是宏，宏相當于Java中的final static定義，在編譯時會替換對應代碼，宏的參數沒有類型定義，多行宏的定義會在行末尾加上\

這兩個宏最終都是調用kthread_create_on_node函數，只是kthread_run在線程創(chuàng)建完成后會手動喚醒，我們來看看kthread_create_on_node函數

2.5 kthread_create_on_node

定義在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，之前講過completion和wait_for_completion同步

    spin_lock(&kthread_create_lock);  //加鎖，之前也講過
    list_add_tail(&create.list, &kthread_create_list);  //將要創(chuàng)建的線程加到kthread_create_list鏈表尾部
    spin_unlock(&kthread_create_lock);

    wake_up_process(kthreadd_task);  //喚醒kthreadd進程，開啟列表循環(huán)創(chuàng)建線程
    wait_for_completion(&create.done);  //當&create.done complete時，會繼續(xù)往下執(zhí)行

    if (!IS_ERR(create.result)) {
        static const struct sched_param param = { .sched_priority = 0 };
        va_list args;  //不定參數定義，相當于Java中的... ，定義多個數量不定的參數

        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類型為task_struct，該函數作用是設置新線程調度策略，SCHED_NORMAL 普通調度策略，非實時，優(yōu)先級低于實時調度策略SCHED_FIFO和SCHED_RR，param的優(yōu)先級上面定義為0
        set_cpus_allowed_ptr(create.result, cpu_all_mask); //允許新線程在任意CPU上運行
    }
    return create.result;
}

kthread_create_on_node主要作用就是在kthread_create_list鏈表尾部加上要創(chuàng)建的線程，然后喚醒kthreadd進程進行具體創(chuàng)建工作

小結

kthreadd進程由idle通過kernel_thread創(chuàng)建，并始終運行在內核空間, 負責所有內核線程的調度和管理，所有的內核線程都是直接或者間接的以kthreadd為父進程。

• kthreadd進程會執(zhí)行一個kthreadd的函數，該函數的作用就是遍歷kthread_create_list鏈表，從鏈表中取出需要創(chuàng)建的內核線程進行創(chuàng)建, 創(chuàng)建成功后會執(zhí)行kthread函數。

• kthread函數完成一些初始賦值后就讓出CPU，并沒有執(zhí)行新線程的工作函數，因此需要手工 wake up被喚醒后，新線程才執(zhí)行自己的真正工作函數。

• 當我們調用kthread_create和kthread_run創(chuàng)建的內核線程會被加入到kthread_create_list鏈表，kthread_create不會手動wake up新線程，kthread_run會手動wake up新線程。

其實這就是一個典型的生產者消費者模式，kthread_create和kthread_run負責生產各種內核線程創(chuàng)建需求，kthreadd開啟循環(huán)去消費各種內核線程創(chuàng)建需求。

三、init進程啟動

init進程分為前后兩部分，前一部分是在內核啟動的，主要是完成創(chuàng)建和內核初始化工作，內容都是跟Linux內核相關的;后一部分是在用戶空間啟動的，主要完成Android系統(tǒng)的初始化工作。

我這里要講的是前一部分，后一部分將在下一篇文章中講述。

之前在rest_init函數中啟動了init進程

kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);

在創(chuàng)建完init進程后，會調用kernel_init函數

3.1 kernel_init

定義在msm/init/main.c中

/*
 * __ref 這個跟之前講的__init作用一樣
 */
static int __ref kernel_init(void *unused)
{
    kernel_init_freeable(); //進行init進程的一些初始化操作
    /* need to finish all async __init code before freeing the memory */
    async_synchronize_full();// 等待所有異步調用執(zhí)行完成,，在釋放內存前，必須完成所有的異步 __init 代碼
    free_initmem();// 釋放所有init.* 段中的內存
    mark_rodata_ro(); //arm64空實現
    system_state = SYSTEM_RUNNING;// 設置系統(tǒng)狀態(tài)為運行狀態(tài)
    numa_default_policy(); // 設定NUMA系統(tǒng)的默認內存訪問策略

    flush_delayed_fput(); // 釋放所有延時的struct file結構體

    if (ramdisk_execute_command) { //ramdisk_execute_command的值為"/init"
        if (!run_init_process(ramdisk_execute_command)) //運行根目錄下的init程序
            return 0;
        pr_err("Failed to execute %s\n", 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的值如果有定義就去根目錄下找對應的應用程序,然后啟動
        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定義的應用程序都沒有找到，就到根目錄下找 /sbin/init，/etc/init，/bin/init,/bin/sh 這四個應用程序進行啟動
        !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，然后去系統(tǒng)根目錄下依次找ramdisk_execute_command和execute_command設置的應用程序，如果這兩個目錄都找不到，就依次去根目錄下找 /sbin/init，/etc/init，/bin/init,/bin/sh 這四個應用程序進行啟動，只要這些應用程序有一個啟動了，其他就不啟動了

ramdisk_execute_command和execute_command的值是通過bootloader傳遞過來的參數設置的，ramdisk_execute_command通過"rdinit"參數賦值，execute_command通過"init"參數賦值

ramdisk_execute_command如果沒有被賦值，kernel_init_freeable函數會賦一個初始值"/init"

3.2 kernel_init_freeable

定義在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這個值complete,這個在rest_init方法中有寫，在ktreadd進程啟動完成后設置為complete

    /* Now the scheduler is fully set up and can do blocking allocations */
    gfp_allowed_mask = __GFP_BITS_MASK;//設置bitmask, 使得init進程可以使用PM并且允許I/O阻塞操作

    /*
     * init can allocate pages on any node
     */
    set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);//init進程可以分配物理頁面
    /*
     * init can run on any cpu.
     */
    set_cpus_allowed_ptr(current, cpu_all_mask); //init進程可以在任意cpu上執(zhí)行

    cad_pid = task_pid(current); //設置到init進程的pid號給cad_pid，cad就是ctrl-alt-del，設置init進程來處理ctrl-alt-del信號

    smp_prepare_cpus(setup_max_cpus);//設置smp初始化時的最大CPU數量，然后將對應數量的CPU狀態(tài)設置為present

    do_pre_smp_initcalls();//調用__initcall_start到__initcall0_start之間的initcall_t函數指針
    lockup_detector_init(); //開啟watchdog_threads，watchdog主要用來監(jiān)控、管理CPU的運行狀態(tài)

    smp_init();//啟動cpu0外的其他cpu核
    sched_init_smp(); //進程調度域初始化

    do_basic_setup();//初始化設備，驅動等，這個方法比較重要，將在下面單獨講

    /* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */
    if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0) // 打開/dev/console，文件號0，作為init進程標準輸入
        pr_err("Warning: unable to open an initial console.\n");

    (void) sys_dup(0);// 標準輸入
    (void) sys_dup(0);// 標準輸出
    /*
     * 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 沒有賦值，則賦值為"/init"，之前有講到
        ramdisk_execute_command = "/init";

    if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) { // 嘗試進入ramdisk_execute_command指向的文件，如果失敗則重新掛載根文件系統(tǒng)
        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(); // 加載I/O調度的電梯算法
}

kernel_init_freeable函數做了很多重要的事情

• 啟動了smp，smp全稱是Symmetrical Multi-Processing，即對稱多處理，是指在一個計算機上匯集了一組處理器(多CPU),各CPU之間共享內存子系統(tǒng)以及總線結構。
• 初始化設備和驅動程序
• 打開標準輸入和輸出
• 初始化文件系統(tǒng)

3.3 do_basic_setup

定義在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();//針對SMP系統(tǒng)，初始化內核control group的cpuset子系統(tǒng)。
    usermodehelper_init();// 創(chuàng)建khelper單線程工作隊列，用于協(xié)助新建和運行用戶空間程序
    shmem_init();// 初始化共享內存
    driver_init();// 初始化設備驅動，比較重要下面單獨講
    init_irq_proc();//創(chuàng)建/proc/irq目錄, 并初始化系統(tǒng)中所有中斷對應的子目錄
    do_ctors();// 執(zhí)行內核的構造函數
    usermodehelper_enable();// 啟用usermodehelper
    do_initcalls();//遍歷initcall_levels數組，調用里面的initcall函數，這里主要是對設備、驅動、文件系統(tǒng)進行初始化，之所有將函數封裝到數組進行遍歷，主要是為了好擴展
    random_int_secret_init();//初始化隨機數生成池
}

3.4 driver_init

定義在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();// 注冊devtmpfs文件系統(tǒng)，啟動kdevtmpfs進程
    devices_init();// 初始化驅動模型中的部分子系統(tǒng)，kset：devices 和 kobject：dev、 dev/block、 dev/char
    buses_init();// 初始化驅動模型中的bus子系統(tǒng)，kset：bus、devices/system
    classes_init();// 初始化驅動模型中的class子系統(tǒng)，kset：class
    firmware_init();// 初始化驅動模型中的firmware子系統(tǒng) ，kobject：firmware
    hypervisor_init();// 初始化驅動模型中的hypervisor子系統(tǒng)，kobject：hypervisor

    /* These are also core pieces, but must come after the
     * core core pieces.
     */
    platform_bus_init();// 初始化驅動模型中的bus/platform子系統(tǒng),這個節(jié)點是所有platform設備和驅動的總線類型，即所有platform設備和驅動都會掛載到這個總線上
    cpu_dev_init(); // 初始化驅動模型中的devices/system/cpu子系統(tǒng),該節(jié)點包含CPU相關的屬性
    memory_dev_init();//初始化驅動模型中的/devices/system/memory子系統(tǒng),該節(jié)點包含了內存相關的屬性，如塊大小等
}

這個函數完成驅動子系統(tǒng)的構建，實現了Linux設備驅動的一個整體框架，但是它只是建立了目錄結構，具體驅動的裝載是在do_initcalls函數，之前有講

kernel_init_freeable函數告一段落了，我們接著講kernel_init中剩余的函數

3.5 free_initmem

定義在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標記過的函數和使用__initdata標記過的數據，在free_initmem函數執(zhí)行后，都不能使用，它們曾經獲得的內存現在可以重新用于其他目的。

3.6 flush_delayed_fput

定義在msm/arch/arm64/mm/init.c中,它執(zhí)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); //刪除fu_list
        __fput(f); //釋放struct file
    }
}

這個函數主要用于釋放&delayed_fput_list這個鏈表中的struct file，struct file即文件結構體，代表一個打開的文件，系統(tǒng)中的每個打開的文件在內核空間都有一個關聯(lián)的 struct file。

3.7 run_init_process

定義在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就是執(zhí)行一個可執(zhí)行文件
}

run_init_process就是運行可執(zhí)行文件了，從kernel_init函數中可知，系統(tǒng)會依次去找根目錄下的init，execute_command，/sbin/init，/etc/init，/bin/init,/bin/sh這六個可執(zhí)行文件，只要找到其中一個，其他就不執(zhí)行。

Android系統(tǒng)一般會在根目錄下放一個init的可執(zhí)行文件，也就是說Linux系統(tǒng)的init進程在內核初始化完成后，就直接執(zhí)行init這個文件，這個文件的源代碼在platform/system/core/init/init.cpp，下一篇文章中我將以這個文件為入口，講解Android系統(tǒng)的init進程。