Linux 启动流程学习笔记：start_kernel、根文件系统与 init

本文记录一次围绕 Linux 6.1 内核启动流程的学习过程，重点关注：

  • start_kernel() 的整体职责
  • 根文件系统如何挂载
  • PID 1 / init 进程如何创建
  • initramfs 中的 /init 与真实根文件系统中的 /sbin/init 的区别
  • 根据实际串口启动日志判断本机启动路径

1. start_kernel 的整体位置

start_kernel() 位于：

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init/main.c

它可以理解为 Linux 内核进入 C 世界后的总启动入口。架构相关的汇编和早期初始化完成后，会进入 start_kernel()。

简化后的主线如下：

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arch 入口汇编/早期 C
  -> start_kernel()
      -> 初始化 CPU、内存、调度、中断、时间、RCU、VFS、cgroup 等核心子系统
      -> arch_call_rest_init()
          -> rest_init()
              -> 创建 kernel_init 线程，成为 PID 1
              -> 创建 kthreadd 线程，通常为 PID 2
              -> boot CPU 进入 idle

start_kernel() 本身不会直接启动用户态程序。它的核心职责是把内核运行环境搭好，然后通过 rest_init() 创建后续负责完成启动的线程。

2. PID 1 是如何创建的

rest_init() 中有关键代码：

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pid = user_mode_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);

这会创建一个运行 kernel_init() 的线程。因为它是第一个将来进入用户态的线程，所以会成为 PID 1。

随后又创建：

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

这个线程通常是 PID 2，即 kthreadd，负责后续内核线程的创建和管理。

因此，PID 1 一开始并不是 /sbin/init，而是运行在内核态的 kernel_init()。后面它会通过 kernel_execve() 替换成真正的用户态 init 程序。

3. kernel_init 的主要工作

kernel_init() 的简化逻辑如下：

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kernel_init()
  -> wait_for_completion(&kthreadd_done)
  -> kernel_init_freeable()
  -> 释放 initmem
  -> 设置 system_state = SYSTEM_RUNNING
  -> 尝试执行用户态 init

其中 kernel_init_freeable() 会完成很多后期初始化：

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kernel_init_freeable()
  -> smp_prepare_cpus()
  -> workqueue_init()
  -> do_pre_smp_initcalls()
  -> smp_init()
  -> sched_init_smp()
  -> do_basic_setup()
      -> driver_init()
      -> do_initcalls()
  -> wait_for_initramfs()
  -> console_on_rootfs()
  -> 根据 /init 是否存在决定是否 prepare_namespace()

4. /init 是什么

/init 指的是 initramfs 解包后的内存根文件系统里的第一个用户态程序。

内核里默认配置：

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static char *ramdisk_execute_command = "/init";

也就是说，内核默认会优先尝试执行当前 rootfs 中的 /init。

这里的 rootfs 通常是内核早期挂载的内存文件系统，可以是 ramfs 或 tmpfs。initramfs 会被解包到这个 rootfs 中。

/init 可以是：

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shell 脚本
busybox
systemd
自定义 ELF 程序

典型 initramfs /init 脚本可能会做：

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1. 挂载 /proc、/sys、/dev
2. 加载必要驱动模块
3. 等待根设备出现
4. 解密磁盘、组装 RAID/LVM
5. 挂载真正根文件系统
6. switch_root 到真实根
7. 执行 /sbin/init

5. 内核如何判断有没有 initramfs /init

关键代码在 kernel_init_freeable()：

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if (init_eaccess(ramdisk_execute_command) != 0) {
    ramdisk_execute_command = NULL;
    prepare_namespace();
}

默认情况下，ramdisk_execute_command 是：

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/init

因此判断逻辑是：

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如果 /init 存在且可执行：
    不调用 prepare_namespace()
    后面 kernel_init() 执行 /init

如果 /init 不存在或不可执行：
    ramdisk_execute_command = NULL
    调用 prepare_namespace()
    挂载 root= 指定的真实根文件系统

如果启动参数指定了：

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rdinit=/xxx

则 ramdisk_execute_command 会变成 /xxx，内核会优先检查并执行这个路径，而不是默认的 /init。

6. prepare_namespace 如何挂载真实根文件系统

当 initramfs 里没有可执行的 /init 时，内核会进入：

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prepare_namespace();

它位于：

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init/do_mounts.c

简化流程：

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prepare_namespace()
  -> 如果有 rootdelay=，先等待指定秒数
  -> wait_for_device_probe()
  -> md_run_setup()
  -> 解析 root= 参数
  -> name_to_dev_t() 将 root= 转换成设备号或特殊 root 类型
  -> 如有必要处理旧式 initrd
  -> 如果 rootwait，等待根设备出现
  -> mount_root()
  -> devtmpfs_mount()
  -> init_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL)
  -> init_chroot(".")

其中 mount_root() 会根据不同根文件系统类型分支处理：

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root=/dev/nfs      -> NFS root
root=/dev/cifs     -> CIFS root
普通块设备          -> mount_block_root()
nodev 文件系统      -> mount_nodev_root()

对普通块设备或 UBI/UBIFS 根文件系统而言，最终会把真实根挂载到 /root，再通过 MS_MOVE 移动成真正的 /。

7. 用户态 init 的选择顺序

根文件系统准备好后，kernel_init() 会尝试执行 init 程序。

顺序大致是：

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ramdisk_execute_command    默认 /init，可由 rdinit= 指定
execute_command            由 init= 指定
CONFIG_DEFAULT_INIT
/sbin/init
/etc/init
/bin/init
/bin/sh

如果都失败，内核会 panic：

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No working init found

执行用户态程序的函数是：

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kernel_execve(init_filename, argv_init, envp_init);

一旦成功，PID 1 就从内核态的 kernel_init() 变成真正的用户态 init 程序。

8. initramfs /init 与 /sbin/init 的区别

两者容易混淆，但位置和角色不同。

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/init

通常位于 initramfs 解包出来的内存 rootfs 中。它是内核优先尝试执行的早期用户态程序。

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/sbin/init

通常位于真实根文件系统中，例如 eMMC、SD、UBIFS、NFS root 等。它是在真实根挂载完成后执行的系统 init。

判断依据：

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日志出现 Run /init as init process
    -> 使用了 initramfs 里的 /init

日志出现 VFS: Mounted root (...)
日志出现 Run /sbin/init as init process
    -> 挂载了真实根文件系统，然后执行 /sbin/init

9. 本机启动日志分析

本次串口日志文件：

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MobaXterm_COM9USB-Enhanced-SERIALCH343COM91_20260417_210416.txt

关键启动参数：

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rw rootwait earlycon=uart8250,mmio32,0xff0a0000 console=ttyFIQ0
ubi.mtd=5 root=ubi0:rootfs rootfstype=ubifs

这说明根文件系统来自：

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MTD 分区 5
  -> attach 为 ubi0
  -> volume 名称 rootfs
  -> 文件系统类型 ubifs

关键日志：

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ubi0: attaching mtd5
ubi0: attached mtd5 (name "rootfs", size 170 MiB)
UBIFS (ubi0:0): Mounting in unauthenticated mode
UBIFS (ubi0:0): UBIFS: mounted UBI device 0, volume 0, name "rootfs"
VFS: Mounted root (ubifs filesystem) on device 0:14.
devtmpfs: mounted
Run /sbin/init as init process

因此可以确定本机实际启动路径是：

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kernel_init()
  -> kernel_init_freeable()
      -> wait_for_initramfs()
      -> 没有找到可执行的 /init
      -> prepare_namespace()
          -> 解析 root=ubi0:rootfs
          -> 等待/附加 ubi.mtd=5
          -> 挂载 UBIFS 根文件系统
  -> run_init_process("/sbin/init")
      -> kernel_execve("/sbin/init", ...)

结论：

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本次启动没有使用 initramfs /init。
内核挂载了 SPI NAND 上 mtd5 对应的 UBI/UBIFS 根文件系统。
随后执行真实根文件系统中的 /sbin/init。

10. /sbin/init 实际是 BusyBox

在 rootfs 构建目录中查看：

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realpath output/rootfs/target/sbin/init

结果：

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/home/dky/workspaces_rk/buildroot/output/atk_dlrk3506/target/usr/bin/busybox

这说明真实根文件系统中：

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/sbin/init -> /usr/bin/busybox

内核实际执行的是：

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/sbin/init

但由于它是指向 BusyBox 的符号链接，所以最终运行的是 BusyBox 的 init applet。

路径可以理解为：

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内核执行 /sbin/init
  -> /sbin/init 是符号链接
      -> 指向 /usr/bin/busybox
          -> busybox 根据 argv[0] == "init"
              -> 运行 busybox init 逻辑

后续系统服务启动，例如：

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Starting syslogd
Starting klogd
Starting network
starting weston...
Starting sshd

通常来自 BusyBox init 根据 /etc/inittab 和相关启动脚本执行的结果。

11. 后续继续追踪方向

如果继续分析用户态启动流程，可以从真实 rootfs 中这些文件入手：

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/etc/inittab
/etc/init.d/rcS
/etc/init.d/*
/etc/fstab

对当前系统而言，建议重点关注：

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output/rootfs/target/etc/inittab
output/rootfs/target/etc/init.d/rcS
output/rootfs/target/etc/fstab

它们会解释 BusyBox init 如何启动 syslog、klog、udev、网络、weston、sshd 以及 userdata 等挂载逻辑。

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