5.linux 操作系统

我们已经了解操作系统作为 “状态机的管理者”，通过为应用程序提供 fork, execve, exit, mmap, pipe, open, read, write 等系统调用，配合 C/汇编实现的运行库，就为 “一个进程” 逐步构建出完整的应用世界做好了准备。

这部分内容：从理论到实践，Linux 世界到底是如何构建起来的？我们用一个 “最小” 的 Linux 系统的启动、initramfs 的探索，最终看到 systemd 是如何作为 “第一个进程” 真正被启动的。

Linux 操作系统
Linux 系统启动和 initramfs
Linux systemd

复习，操作系统是对象+api，

对象：进程、文件、
api：开关读写

系统调用之上，封装更好用的api，libc，在此之上构建应用程序，然后有了更多的东西。

1. linux 操作系统

minix

minix 年轻人的第一个全功能操作系统。

minix3，一度是世界上应用最广的操作系统，因为 intel 把其移植到了一个固件上。

如何看待英特尔管理引擎(Intel ME)被爆出运行在 Minix3 操作系统？

linux 的成功

站在巨人的肩膀上构建自己的系统。给linux加一个补丁，就能适配自己的产品。linux 2.6 开始，2003年，大爆发。

2003 后面几年，计算机系统的黄金时代。

linux kernel

要注意前面学的是理论模型，并不是具体的哪个操作系统(虽然有时候会用 linux 的 api 举例)。我们好奇 linux 到底符不符合前面的理论模型，我们日常看到的 linux，比如 Ubuntu。

linux 的两面：

1.kernel
- 加载第一个进程
  - 放置一个位于初始状态的状态机
  - initramfs 模式
- 包含一些进程可操作的操作系统对象
- 其他的没有了，变成 trap handler
2.kernel 系统调用上的发行版和应用生态
- 系统工具 coreutils, binutils, systemd, ...
- 桌面系统 Gnome, xfce, Android
- 应用程序 file manager, vscode, ...

github 上 linux 仅仅只是个内核，kernel。

kernel 可以理解成一个可执行的二进制文件，里面就是个指令序列，然后硬件厂商的固件和磁盘上的其它代码一起加载到内存上运行。运行起来就是 kernel，狭义的内核就是指一个在计算机启动后会被运行的程序，这个程序会加载第一个应用程序，还会创建一些对象，如 /dev/console，信息打印到这里。启动linux可能会发现，打印日志时，突然有一瞬间字体会变，这就是内核做了一些配置。最后启动完毕，对象创建完成，我们就可以使用系统调用操作这些对象了。

广义的 linux，我们看到的，图形界面，鼠标键盘能用，vscode 写代码，浏览器上网。或者 Android，底层也是 linux。所有我们早期使用的，都是linux kernel 系统调用上的发行版和应用生态

systemd，pstree 的根，随着我们对操作系统原理的理解越来越好，可以把一个合理的比较抽象的 kernel 概念映射到真实操作系统。后面会讲为什么 systemd 是根，事实上 init 进程并不是 systemd。

如果真想理解 linux 的启动到加载第一个进程的过程，能不能构建一个可以启动的最小的 kernel，然后运行我们自己的程序，一个输出 hello world 的程序，打印 hello world，然后退出。

2. 启动 Linux

回顾计算机的启动，CPU reset，firmware 执行，加载 linux 内核，启动 init 进程。

如果能控制 init 进程，在加载 init 的时候，此时有些什么内核对象呢。

在 ubuntu 更新的时候，可能偶尔会见到 update-initramfs，这个卡的时间比较久。

搞一个最小的 linux，需要的东西，vmlinuz ，init 文件，busybox ，把busybox和init脚本打包，放到一个初始的文件系统里。然后用 qemu 启动，指定使用的内核和使用的文件系统镜像。还指定了当前终端作为一个调试串口。

启动以后，可以发现里面几乎没什么东西，就 /bin/busybox /dev/console 就这两个。

整个完整的 linux 就基于此来构建。创建出更多的对象。

首先要有更多的命令，基于 busybox 的软连接。
然后就可以使用一些命令了，mkdir 创建一些目录，用 mount 挂在 procfs 和 sysfs，在 /dev 下创建一些设备。
输出一些启动日志
最后启动一个 busybox 的 sh。

这时候基本上就能有个完整的linux使用体验了。也就是说，只要加载了第一个我们能控制的 init ，就能创建所有的东西。

为什么 pstree 的根是 systemd，启动以后我们有个 ramfs，在 ram 里，仅仅供初始化使用，这个时候系统里还没有磁盘。

还得看看之后发生了什么，。

系统的启动分两个阶段，这个阶段完成后，有个应用程序需要调用

int pivot_root(const char *new_root, const char *put_old);

执行 /usr/sbin/init 即 Kernel 的 init 选项。这是个快捷方式，链接到了 /lib/systemd/systemd。

ramfs 的事情是创建好足够多的对象，。

3. 应用程序的世界

到这里，是没有磁盘的，使用 df 命令会报错，这个阶段是启动的初级阶段，内核启动起来了，小的内存里的fs也有了，这时候可以加载必要的驱动程序，如磁盘驱动，挂在必要的fs，最后要做的事情，把根文件系统的控制移交给另一个程序。

看 ubuntu ，pstree 是 systemd，但是这里的 init 又不是 systemd，。

此时 init 进程还在继续，如果退出以后，一开始启动的脚本还在继续，后面做了更重要的事情，创建了一个新目录，挂载了一个磁盘，然后准备所有的完整的系统需要的东西，最后调用一个 switch_root 这个命令，直接把根目录切换了。

一些要求，调用这个命令的进程的 pid 必须是 1，没有任何一个 libc 会调用此命令，只有最底层的系统开发者才会用到这个。

然后，就成功的得到了一个完整的 linux，直接在机器上跑起来了。对于现在的linux，会在switchroot的时候会去找 /sbin/init。这个就是 systemd。

刚刚还往文件系统里塞了一个网卡.ko，加载上去，然后可以启动网卡，加一个 ip 地址，这已经是完整的 linux 了，开一个 http 服务器。busbox 提供了一个 httpd，然后就可以访问了。

本质上和云服务器的 systemd 启动一个 Nginx 服务器是一样的。

python3 -m http.server

另一个想象，这些程序甚至不需要跑在 linux kernel 上，只要实现了 linux 的系统调用，然后就能运行起来 linux 的程序了。linux subsystem for Linux，用所有的 windows api 实现

总结(2022版未整理)

操作系统启动后到底做了什么？
- CPU Reset → Firmware → Loader → Kernel _start() → 执行第一个程序 /bin/init → 中断/异常处理程序
- 一个最小的 Linux 系统的例子回顾操作系统内核的启动

cpu reset -> fireware -> boot loader -> kernel_start()

lagecay bios 固件完成操作系统加载。uefi里也有类似的东西。

Q1: 操作系统启动后到底做了什么？ Q2: 操作系统如何管理程序 (进程)？

thread-os 在 main 开始后做一些系统的初始化，然后这个小操作系统会创建许多线程。这个有点像嵌入式系统里运行的小操作系统，CPU\MCU 里没有 MMU，没做虚拟内存的能力，只支持几个线程的执行。

等到任务创建完后，操作系统就不做事情了。

操作系统启动后，加载“第一个程序”，然后把所有的控制权交给这个程序。所有其他看到的东西( pstree )都是由这个程序启动的。

systemd─┬─YDLive───7*[{YDLive}]
        ├─YDService─┬─sh───9*[{sh}]
        │           └─23*[{YDService}]
        ├─acpid
        ├─2*[agetty]
        ├─barad_agent─┬─barad_agent
        │             └─barad_agent───2*[{barad_agent}]
        ├─cron
        ├─dbus-daemon
        ├─networkd-dispat
        ├─ntpd───{ntpd}
        ├─packagekitd───2*[{packagekitd}]
        ├─polkitd───2*[{polkitd}]
        ├─rsyslogd───3*[{rsyslogd}]
        ├─sgagent───{sgagent}
        ├─sshd─┬─sshd───sshd───fish
        │      ├─sshd───sshd───fish───sftp-server
        │      ├─sshd───sshd───fish─┬─pstree
        │      │                    └─{fish}
        │      └─sshd───sshd───fish─┬─sftp-server
        │                           └─{fish}
        ├─systemd-journal
        ├─systemd-logind
        ├─systemd-network
        ├─systemd-resolve
        ├─tat_agent───6*[{tat_agent}]
        ├─tmux: server───5*[fish]
        └─unattended-upgr───{unattended-upgr}

linux内核启动代码

linux 试图启动一些东西。try_to_run_init_process("/sbin/init") ，试图启动这个程序，确实也是有的，软连接到 init -> /lib/systemd/systemd 确实是 systemd。

如果找不到这个文件，还会往下找。如果所有的都找不到，那么直接拒绝启动。可以试试，删掉这些文件，就无法启动系统了。但是还是有办法的，给内核加个选项。

第一个程序加载好，状态机就开始运行了。第一个程序创建其他程序，一级一级创建出来。

如果真的想让对进程或者linux的理解往前推一步的话，应该做什么呢？

是不是可以实现一个最小的Linux内核的镜像，只有一个程序，只要有一个程序，那么整个操作系统应该就能启动起来。

如果第一个进程，返回了，操作系统里就没有进程了，内核就不知道该干什么了。Kernel panic了。所以我们的第一个进程应该是一个不会终止的。

这个最小 linux 几乎啥也不能做。cpu reset 经过 fireware 然后 loader 加载 os，然后 init 启动第一个进程，然后所有的东西都有了。

创建一些目录，创建一些链接，然后体验就像是普通的 Linux 了。从啥也不能用，再到都能用，甚至可以编译程序。

实际上不仅是 linux ，其他的设备也是类似的模式，华为的鸿蒙。

这个东西可以玩玩，还是挺好玩的。

小结：

linux 操作系统的启动流程

cpu reset -> firmware -> loader -> kernel_start() -> 第一个程序 /bin/init -> 程序执行 + 系统调用

操作系统为 (所有) 程序提供 API

进程 (状态机) 管理
- fork, execve, exit - 状态机的创建/改变/删除。这一节的主题
存储 (地址空间) 管理
- mmap - 虚拟地址空间管理
文件 (数据对象) 管理
- open, close, read, write - 文件访问管理
- mkdir, link, unlink - 目录管理

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最后更新于4个月前