哪个 Linux 内核函数创建了“进程 0”？

Question

我正在尝试更多地了解process 0，例如，它是否具有内存描述符（非NULLtask_struct->mm 字段），以及它与交换或空闲进程有何关系。在我看来，在引导 cpu 上创建了一个“进程 0”，然后idle_threads_init 为每个其他 cpu 创建了一个空闲线程，但我没有找到第一个（我假设是process 0) 已创建。

更新

鉴于 tychen 引用的live book，这是我对process 0（适用于x86_64）的最新理解，有人可以确认/反驳以下内容吗？

1. 一个init_task类型为task_struct是静态定义的，任务的内核堆栈init_task.stack = init_stack，内存描述符init_task.mm=NULL和init_task.active_mm=&init_mm，其中堆栈区域init_stack和mm_structinit_mm都是静态定义。
2. 只有active_mm 是非NULL 的事实意味着process 0 是一个内核进程。另外，init_task.flags=PF_KTHREAD。
3. 在未压缩的内核映像开始执行后不久，启动 cpu starts 以使用 init_stack 作为内核堆栈。这使得current 宏有意义（自机器启动以来第一次），这使得fork() 成为可能。在此之后，内核实际上在process 0 的上下文中运行。
4. start_kernel -> arch_call_rest_init -> rest_init，在这个函数内部，process 1&2 被分叉了。在为process 1 安排的kernel_init 函数中，为每个其他逻辑CPU 创建了一个新线程（带有CLONE_VM）并将其挂接到CPU 的运行队列的rq->idle。
5. 有趣的是，所有空闲线程共享相同的tid 0（不仅仅是tgid）。通常线程共享tgid，但有不同的tid，这实际上是Linux 的process id。我想它不会破坏任何东西，因为空闲线程被锁定到它们自己的 CPU。
6. kernel_init 加载init 可执行文件（通常为/sbin/init），并将current->mm 和active_mm 切换为非NULL mm_struct，并清除PF_KTHREAD 标志，这使得process 1 一个合法的用户空间进程。虽然process 2 没有调整mm，这意味着它仍然是一个内核进程，与process 0 相同。
7. rest_init结束时，do_idle接管，表示所有CPU都有空闲进程。
8. 以前有一些事情让我很困惑，但现在变得清晰了：init_task/init_mm/init_stack 等init_* 对象/标签都被process 0 使用，而不是init process，即process 1。

Answer 1

我们真正从start_kernel启动Linux内核，进程0/idle也从这里开始。

在start_kernel 的开头，我们调用set_task_stack_end_magic(&init_stack)。这个函数会设置init_task的栈边界，也就是进程0/idle。

void set_task_stack_end_magic(struct task_struct *tsk)
{
    unsigned long *stackend;

    stackend = end_of_stack(tsk);
    *stackend = STACK_END_MAGIC;    /* for overflow detection */
}

很容易理解，这个函数获取限制地址，并将底部设置为STACK_END_MAGIC作为堆栈溢出标志。这是结构图。

进程0是静态定义的。这是唯一不是由kernel_thread 和fork 创建的进程。

/*
 * Set up the first task table, touch at your own risk!. Base=0,
 * limit=0x1fffff (=2MB)
 */
struct task_struct init_task
#ifdef CONFIG_ARCH_TASK_STRUCT_ON_STACK
    __init_task_data
#endif
= {
#ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
    .thread_info    = INIT_THREAD_INFO(init_task),
    .stack_refcount = REFCOUNT_INIT(1),
#endif
    .state      = 0,
    .stack      = init_stack,
    .usage      = REFCOUNT_INIT(2),
    .flags      = PF_KTHREAD,
    .prio       = MAX_PRIO - 20,
    .static_prio    = MAX_PRIO - 20,
    .normal_prio    = MAX_PRIO - 20,
    .policy     = SCHED_NORMAL,
    .cpus_ptr   = &init_task.cpus_mask,
    .cpus_mask  = CPU_MASK_ALL,
    .nr_cpus_allowed= NR_CPUS,
    .mm     = NULL,
    .active_mm  = &init_mm,
    ......
    .thread_pid = &init_struct_pid,
    .thread_group   = LIST_HEAD_INIT(init_task.thread_group),
    .thread_node    = LIST_HEAD_INIT(init_signals.thread_head),
    ......
};
EXPORT_SYMBOL(init_task);

这里有一些重要的事情我们需要清楚地说明。

1. INIT_THREAD_INFO(init_task) 将thread_info 设置为上图。
2. init_stack 定义如下

extern unsigned long init_stack[THREAD_SIZE / sizeof(unsigned long)];

其中 THREAD_SIZE 等于

#ifdef CONFIG_KASAN
#define KASAN_STACK_ORDER 1
#else
#define KASAN_STACK_ORDER 0
#endif
#define THREAD_SIZE_ORDER   (2 + KASAN_STACK_ORDER)
#define THREAD_SIZE  (PAGE_SIZE << THREAD_SIZE_ORDER)

所以定义了默认大小。

1. 进程 0 只会在内核空间运行，但在某些情况下，正如我上面提到的，它需要一个虚拟内存空间，所以我们设置如下

    .mm     = NULL,
    .active_mm  = &init_mm,

让我们回顾一下start_kernel，rest_init 将初始化kernel_init 和kthreadd。

noinline void __ref rest_init(void)
{
......
    pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
......
    pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
......
}

kernel_init会运行execve，然后进入用户空间，运行变为init进程，也就是进程1。

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;

kthread成为守护进程来管理和调度其他内核task_struts，也就是进程2。

在这一切之后，进程0将成为空闲进程并跳出rq，这意味着它只会在rq为空时运行。

noinline void __ref rest_init(void)
{
......
    /*
     * The boot idle thread must execute schedule()
     * at least once to get things moving:
     */
    schedule_preempt_disabled();
    /* Call into cpu_idle with preempt disabled */
    cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
}


void cpu_startup_entry(enum cpuhp_state state)
{
    arch_cpu_idle_prepare();
    cpuhp_online_idle(state);
    while (1)
        do_idle();
}

最后，如果您想进一步了解 Linux 内核，这里有一个很好的gitbook。