进程模型5-0号进程

内核版本	架构	作者	GitHub	CSDN
Linux-3.0.1	armv7-A	Lux1206

0号进程的作用

在 Linux 中除了 init_task 0号进程，所有的线/进程都是通过 do_fork 函数复制父线/进程创建得到，因为 0号进程产生时没有任何进程可以参照，只能通过静态方式构造进程描述符 task_struct 和进程控制块 thread_info，然后在内核编译完成后相当于创建完成。

0号进程在完成必要的内核早期初始化和创建出 1号进程(所有用户进程的父进程)和 2号进程(所有内核线程的父进程)之后会退化为当前 cpu上运行队列的 idle 空闲进程，永久运行在内核态，继续默默守护整个内核。需要特殊说明的是 0号进程执行 start_kernel 不是通过调度执行的，而是内核直接跳转到 start_kernel，最后在 rest_init 中开启调度。

0号进程的创建

在 linux 3.0.1 中 0号进程描述符 init_task 还是与具体的架构相关的，对于arm 架构位于 ./arch/arm/kernel/init_task.c 使用宏 INIT_THREAD_INFO 和 INIT_TASK 定义了全局的 init_task 进程描述符和 init_thread_union 进程控制块。

union thread_union init_thread_union __init_task_data ={ INIT_THREAD_INFO(init_task) };struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task);

0号进程的描述符

#define INIT_TASK(tsk)  \
{                                   \.state      = 0,                        		\.stack      = &init_thread_info,/*内核栈*/      \.usage      = ATOMIC_INIT(2),               \.flags      = PF_KTHREAD,                   \.prio       = MAX_PRIO-20,                  \.static_prio    = MAX_PRIO-20,                  \.normal_prio    = MAX_PRIO-20,                  \.policy     = SCHED_NORMAL,                 \.cpus_allowed   = CPU_MASK_ALL,                 \.mm     = NULL,                     \.active_mm  = &init_mm,                 \
...\.tasks      = LIST_HEAD_INIT(tsk.tasks),  	\
...\.real_parent    = &tsk,                     \.parent     = &tsk,                     \
...\.comm       = "swapper",                    \.thread     = INIT_THREAD,                  \.fs     = &init_fs,                 \.files      = &init_files,                  \.signal     = &init_signals,                \.sighand    = &init_sighand,                \.nsproxy    = &init_nsproxy,                \
...\.pids = {                           \[PIDTYPE_PID]  = INIT_PID_LINK(PIDTYPE_PID),        \[PIDTYPE_PGID] = INIT_PID_LINK(PIDTYPE_PGID),       \[PIDTYPE_SID]  = INIT_PID_LINK(PIDTYPE_SID),        \},                              \.thread_group   = LIST_HEAD_INIT(tsk.thread_group),     \
...\
}

INIT_TASK 宏初始了 init_task 的进程描述符，当内核编译完成生成镜像，这个 init_task 就已经在数据段中占有自己的一席之地，init_task也决定了系统之后所有进程、线程的基因, 由它完成内核早期初始化后, 最终演变为0号进程idle, 永久运行在内核态。

0号进程的内核栈

#define init_thread_info	(init_thread_union.thread_info)union thread_union {struct thread_info thread_info;					/* 进程控制块信息 */unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)]; 	/* 8K大小的内核栈空间 */
};

在 INIT_TASK 中将内核堆栈指向了 init_thread_info，这也通过宏定义初始化的全局变量，类型为 union thread_union。这种结构在 arm 满栈递减的栈模式下，stack[0] 相当于是栈底，stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)] 相当于是栈顶，而 thread_info 控制块则是从栈底位置开始放置的进程控制块。0号进程的 init_task ->stack 内核栈指针指向 init_thread_union.thread_info 就相当于指向了内核栈的栈底位置。

除了0号进程其余线/进程的内核堆栈都是在 fork 时申请得到，只有0号进程是通过全局变量直接初始化形成，那么这个0号进程的内核栈是放置在什么位置呢？在定义全局 init_thread_union 是发现有一个 __init_task_data 修饰符，具体的宏定义如下：

#define __init_task_data __attribute__((__section__(".data..init_task")))

这表明整个内核堆栈时在编译时被放置在 .data..init_task 段，即 init_task 的堆栈指向 “.data…init_task” 这个位置，通过搜索在 ./include/asm-generic/vmlinux.lds.h 中发现如下宏定义：

#define INIT_TASK_DATA(align)                       \. = ALIGN(align);                       \*(.data..init_task)

继续搜索 INIT_TASK_DATA 发现在./arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S 中的 .data 段最开始的位置占用了 THREAD_SIZE 大小的空间，在 arm 32bits下 THREAD_SIZE = 8K，刚好与 union thread_union 下的栈大小相同，至此0号进程的内核栈被创建完成。

.data : AT(__data_loc) {_data = .;      /* address in memory */_sdata = .;/** first, the init task union, aligned* to an 8192 byte boundary.*/INIT_TASK_DATA(THREAD_SIZE)..._edata = .;}

0号进程的sp设置

通过宏定义已经将 0号进程 inti_task 的描述符和所需要的内核堆栈创建出来了，但是要想运行起来还必须将当前模式下的 sp 指针(sp_svc)设置到内核堆栈和合适位置。在芯片上电后，一般需要先经过 uboot 或其他固件的执行，在执行完成后跳转到内核入口开始内核早期且重要的初始化，最后跳转到 start_kernel 入口开始在 C语言环境下初始化内核，而堆栈指针 sp 的初始化就是在跳转到 start_kernel 之前设置的。这一切都发生 head.S 和 head-common.S 中。

/** The following fragment of code is executed with the MMU on in MMU mode,* and uses absolute addresses; this is not position independent.**  r0  = cp#15 control register*  r1  = machine ID*  r2  = atags/dtb pointer*  r9  = processor ID*/__INIT
__mmap_switched:adr r3, __mmap_switched_data @将 __mmap_switched_data是开辟的一片地址，存放了一些变量，将地址赋值给r3ldmia   r3!, {r4, r5, r6, r7} @ 从__mmap_switched_data 将下的4 words 载入到r4~r7寄存器,r3地址会自动递增cmp r4, r5                    @ Copy data segment if needed 判断 __data_loc 与 _sdata是否相同,不相同时需要重定位拷贝
1:  cmpne   r5, r6ldrne   fp, [r4], #4strne   fp, [r5], #4bne 1bmov fp, #0                    @ Clear BSS (and zero fp) 设置 fp 为0，并初始化.bss段为0
1:  cmp r6, r7strcc   fp, [r6],#4bcc 1bARM(   ldmia   r3, {r4, r5, r6, r7, sp}) @从ARM模式下继续将 5个words 载入到r4~r7和sp寄存器, 这里设置了0号进程的内核堆栈位置THUMB( ldmia   r3, {r4, r5, r6, r7}    ) @THUMB模式下只能最多一次出栈到4个寄存器THUMB( ldr sp, [r3, #16]       )str r9, [r4]            @ Save processor ID  将寄存器r9的值(processor ID)存储到 processor_idstr r1, [r5]            @ Save machine type  将寄存器r1的值(machine ID)存储到__machine_arch_typestr r2, [r6]            @ Save atags pointer 将寄存器r2的值(atags/dtb pointer)存储到__atags_pointerbic r4, r0, #CR_A       @ Clear 'A' bitstmia   r7, {r0, r4}    @ Save control register values 将寄存器r0,r4的值(cp#15 control register)存储到cr_alignmentb   start_kernel        @ 跳转到start_kernel开始进行内核初始化
ENDPROC(__mmap_switched).align  2.type   __mmap_switched_data, %object
__mmap_switched_data:           @ 定义 __mmap_switched_data 数据结构.long   __data_loc          @ r4. 其中__data_loc,_sdata,__bss_start,_end是在编译时赋值的.long   _sdata              @ r5.long   __bss_start         @ r6.long   _end                @ r7.long   processor_id        @ r4 其中processor_id,__machine_arch_type,__atags_pointer,cr_alignment是等待被被赋值的.long   __machine_arch_type     @ r5.long   __atags_pointer         @ r6.long   cr_alignment            @ r7.long   init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp 设置到 (&init_thread_union + THREAD_SIZE - 8)的栈顶位置,设置好SP，后面就可以运行了.size   __mmap_switched_data, . - __mmap_switched_data

最终在 __mmap_switched 汇编函数中执行可能需要的数据段重定位和 .bss 段清除，并将在汇编环境下获取到的信息赋值给C环境中的 processor_id, __machine_arch_type, __atags_pointer, cr_alignment，最后将 sp 指针设置到 0号进程内核栈的 (&init_thread_union + THREAD_SIZE - 8) 位置，最后进入 start_kernel 中执行初始化和创建1, 2号进程。

注意：在内核在 start_kernel 完成初始化之前，内核会一直使用这个栈来进行工作。

0号进程的退化

在 start_kernel 执行到 rest_init 函数中时所有的初始化已经全部完成，并创建了内核态和用户态各自的进程始祖，此时 0号进程作为初始模版的使命已经结束。此时，init_task 进程便会退化成主处理器的 idle 进程，继续发挥重要作用。而多喝处理器中其他核的 idle 进程则是在 kernel_init(1号进程)中，为每个从处理器的运行队列上通过 fork 创建出来的 pid 同样为 0。

start_kernel
└── rest_init└── init_idle_bootup_task└── init_idle_bootup_task

static noinline void __init_refok rest_init(void)
{
.../** The boot idle thread must execute schedule()* at least once to get things moving:*/init_idle_bootup_task(current);/* 让init_task进程隶属到idle调度类中,即选择idle的调度相关函数 */preempt_enable_no_resched();    /* 打开抢占，但是不进行调度 */schedule();                     /* 执行进程切换，因为0号进程已经切换为idle进程了，所以主动调度，使1号和2号线程可以运行 */preempt_disable();              /* 重新关闭抢占 *//* Call into cpu_idle with preempt disabled，空闲进程进入while中 */cpu_idle();
}void __cpuinit init_idle_bootup_task(struct task_struct *idle)
{idle->sched_class = &idle_sched_class;
}