rk3588/kernel-6.1 init 目录作用与内核启动流程分析

扩展文档集：见 README.md（总览 + 01–07 专题，原理与实现分篇）。

1. init 目录的作用

init/ 是内核从“刚进入 C 代码”到“拉起用户态 init 进程”这段路径的核心目录，主要承担：

• 系统早期初始化总控（main.c）
• initramfs/initrd 解包与早期根文件系统准备（initramfs.c、do_mounts*.c）
• 内核命令行参数解析与 init 进程参数传递（main.c）
• initcall 驱动初始化框架调度（do_initcalls）
• 版本/初始任务等基础对象（version.c、init_task.c）

一句话：init/ 负责把系统从“boot CPU 单线程内核态”推进到“多核 + 驱动可用 + 用户态 PID1 运行”。

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2. 目录分层与文件职责

从 init/Makefile 可见构成：

• 核心：main.o version.o mounts.o init_task.o
• initramfs 路径：
  • 无 initrd：noinitramfs.o
  • 有 initrd：initramfs.o
• 根挂载相关：
  • do_mounts.o
  • do_mounts_rd.o（ramdisk）
  • do_mounts_initrd.o（initrd）
• 其他：calibrate.o（延迟校准）

关键文件职责：

• main.c：start_kernel、rest_init、kernel_init_freeable、kernel_init
• do_mounts.c：root= 解析、prepare_namespace、根设备挂载
• initramfs.c：内置 cpio 的解包与文件恢复

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3. 启动流程总览（主干调用链）

主链路可抽象为：

1. start_kernel()
2. arch_call_rest_init() -> rest_init()
3. rest_init() 创建：
   • PID1 内核线程入口：kernel_init
   • kthreadd
4. kernel_init()：
   • kernel_init_freeable()
   • 释放 init 内存、切系统状态为 SYSTEM_RUNNING
   • run_init_process(...) 执行用户态 /sbin/init 等

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4. 分阶段启动过程详解

4.1 早期阶段：start_kernel()

start_kernel 做的是“把最小可运行内核环境搭起来”：

• CPU/体系结构早期初始化
  smp_setup_processor_id、setup_arch
• 命令行处理
  setup_command_line、parse_early_param、parse_args
• 内存子系统初始化
  mm_init（页分配、slab、vmalloc 等）
• 调度与中断基础能力
  sched_init、early_irq_init、init_IRQ、softirq_init
• 时间子系统
  timekeeping_init、time_init、hrtimers_init
• 控制台与锁调试
  console_init、lockdep_init
• 关键核心子系统
  fork_init、cred_init、vfs_caches_init、cgroup_init、security_init

之后调用 arch_call_rest_init()，进入非 __init 的后续阶段。

4.2 任务切换阶段：rest_init()

rest_init 关键动作：

• 启动 PID1 的内核态线程入口 kernel_init
• 启动 kthreadd
• 置系统状态为 SYSTEM_SCHEDULING
• complete(&kthreadd_done)，让 kernel_init 可继续
• 当前 boot idle 线程进入 cpu_startup_entry

设计重点：先建好 kthreadd，再让后续 init 路径安全创建内核线程。

4.3 可阻塞初始化阶段：kernel_init_freeable()

这一段已经允许阻塞分配，开始完成“大规模子系统与驱动初始化”：

• smp_prepare_cpus / smp_init / sched_init_smp
• workqueue_init
• do_pre_smp_initcalls（early initcall）
• do_basic_setup()：
  • driver_init
  • init_irq_proc
  • do_ctors
  • do_initcalls（按 level 执行各类 __initcall）
• wait_for_initramfs
• console_on_rootfs
• 若无可执行的 rdinit，走 prepare_namespace() 挂载最终根文件系统
• integrity_load_keys

4.4 收尾并进入用户态：kernel_init()

kernel_init 在 freeable 阶段后继续：

• async_synchronize_full
• free_initmem 释放 __init* 内存
• mark_readonly 打开只读保护（rodata 等）
• system_state = SYSTEM_RUNNING
• 根据优先级尝试执行 init：
  1. ramdisk_execute_command（rdinit=）
  2. execute_command（init=）
  3. CONFIG_DEFAULT_INIT
  4. /sbin/init -> /etc/init -> /bin/init -> /bin/sh
• 全失败则 panic：No working init found

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5. 内核如何拉起用户态 init 进程

Linux 的用户态 init 不是由某个已经存在的用户进程 fork 出来的，而是由内核在启动末期把 PID1 从“内核态启动线程”转换成“用户态 init 程序”。

整体链路：

start_kernel()
  -> arch_call_rest_init()
     -> rest_init()
        -> user_mode_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS)   // 创建 PID1
        -> kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES)
        -> complete(&kthreadd_done)

PID1: kernel_init()
  -> wait_for_completion(&kthreadd_done)
  -> kernel_init_freeable()
     -> do_basic_setup()
     -> wait_for_initramfs()
     -> console_on_rootfs()
     -> prepare_namespace()
  -> free_initmem()
  -> system_state = SYSTEM_RUNNING
  -> run_init_process(...)
     -> kernel_execve(...)
        -> bprm_execve()
        -> 装载 ELF / 脚本解释器
        -> 进入用户态 init

5.1 rest_init() 创建 PID1

rest_init() 中最关键的一句是：

pid = user_mode_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);

它的作用是创建一个将来进入用户态的任务，并让这个任务先执行内核函数 kernel_init()。
因为这是系统中第一个正式创建的任务，所以它获得 PID 1。

随后 rest_init() 再创建 kthreadd：

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

这里顺序很重要：

• 先创建 kernel_init，保证 init 获得 PID1；
• 再创建 kthreadd，后续内核线程都依赖它；
• kernel_init() 会等待 kthreadd_done，避免在 kthreadd 尚未准备好时创建内核线程。

也就是说，PID1 最开始并不是 /sbin/init，而是一个执行 kernel_init() 的内核启动任务。

5.2 kernel_init_freeable() 准备用户态运行环境

kernel_init() 先等待 kthreadd 完成：

wait_for_completion(&kthreadd_done);

然后执行：

kernel_init_freeable();

这一阶段完成用户态 init 启动前必须具备的环境：

• 调度器 SMP 初始化完成；
• workqueue 初始化完成；
• 各级 initcall 执行完成，驱动和子系统基本就绪；
• initramfs 解包完成；
• /dev/console 在 rootfs 上打开；
• 如果没有可用的 initramfs /init，则 prepare_namespace() 挂载真实根文件系统；
• rootfs、设备节点、控制台、基础驱动准备好后，用户态 init 才可能执行成功。

其中这段逻辑决定是否走 initramfs 的 /init：

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

默认 ramdisk_execute_command 是 "/init"。如果 initramfs 中存在可执行 /init，内核优先执行它；否则挂载真实根文件系统，再寻找 /sbin/init 等。

5.3 kernel_init() 选择哪个 init 程序

kernel_init_freeable() 结束后，kernel_init() 做启动收尾：

async_synchronize_full()
free_initmem()
mark_readonly()
pti_finalize()
system_state = SYSTEM_RUNNING
rcu_end_inkernel_boot()
do_sysctl_args()

然后开始选择用户态 init。优先级如下：

1. rdinit= 指定的 initramfs init，默认是 /init；
2. init= 指定的真实根文件系统 init；
3. CONFIG_DEFAULT_INIT；
4. 内核硬编码 fallback：
   • /sbin/init
   • /etc/init
   • /bin/init
   • /bin/sh

源码逻辑可抽象为：

if (ramdisk_execute_command)
    run_init_process(ramdisk_execute_command);

if (execute_command)
    run_init_process(execute_command);

if (CONFIG_DEFAULT_INIT[0] != '\0')
    run_init_process(CONFIG_DEFAULT_INIT);

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");

如果 init= 指定的程序存在但执行失败，内核会直接 panic；如果 fallback 路径一个都无法执行，也会 panic：

No working init found. Try passing init= option to kernel.

5.4 run_init_process() 如何把 PID1 变成用户态 init

run_init_process() 会设置 argv/envp，然后调用 kernel_execve()：

static int run_init_process(const char *init_filename)
{
    argv_init[0] = init_filename;
    pr_info("Run %s as init process\n", init_filename);
    return kernel_execve(init_filename, argv_init, envp_init);
}

这一步和用户态调用 execve() 的效果类似：不新建进程，而是把当前 PID1 的地址空间和执行镜像替换成目标 init 程序。

因此：

• PID 仍然是 1；
• task_struct 仍是这个 init 任务；
• 原来的 kernel_init() 内核态执行路径被新程序镜像替换；
• 成功后不会再返回 kernel_init()；
• CPU 最终通过体系结构返回用户态路径，开始执行 /init 或 /sbin/init 的入口。

kernel_execve() 内部大致做：

getname_kernel(init_filename)
  -> alloc_bprm()
  -> 复制 argv/envp
  -> bprm_execve()
     -> search_binary_handler()
     -> load_elf_binary() / load_script()
     -> 建立用户态 mm、栈、入口地址
     -> 返回用户态执行

如果 init 是脚本，例如：

#!/bin/sh

则 exec 路径会继续寻找并执行解释器 /bin/sh。所以 initramfs 或 rootfs 中不仅要有 init 文件，还要有它依赖的解释器、动态链接器和库。

5.5 init=、rdinit= 和根文件系统的关系

两个参数含义不同：

• rdinit=/xxx：优先从 initramfs/rootfs 早期环境中执行，常用于 initramfs 的 /init；
• init=/xxx：挂载真实根文件系统后执行，常见为 init=/sbin/init、init=/bin/sh。

典型场景：

使用 initramfs：
  kernel_init_freeable()
    -> wait_for_initramfs()
    -> 发现 /init 可执行
  kernel_init()
    -> run_init_process("/init")

使用真实 rootfs：
  kernel_init_freeable()
    -> initramfs 无 /init
    -> prepare_namespace() 挂载 root=
  kernel_init()
    -> run_init_process("/sbin/init")

调试启动失败时，常用：

init=/bin/sh
rdinit=/bin/sh

如果能进入 shell，说明内核已基本完成启动，问题多半在 rootfs、init 程序、动态库或启动脚本。

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6. 命令行参数在启动中的作用

init/main.c 里，命令行参数分几类：

• early_param：超早期生效（如 loglevel、debug、quiet、rodata）
• __setup：常规启动参数（如 init=、rdinit=）
• "--" 后参数：作为用户态 init 的参数传递

典型参数：

• init=/path/to/init：指定 PID1 可执行文件
• rdinit=/path/to/init：指定 initramfs 内早期 init
• ro/rw：根文件系统挂载只读/读写（在 do_mounts.c）

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7. initramfs/initrd 与根文件系统切换

7.1 initramfs 解包

initramfs.c 负责解析 cpio 流并在 rootfs 中创建文件/目录/设备节点。
这一步让系统在没有真实块设备根分区前也能获得最小用户空间。

7.2 根文件系统准备

do_mounts.c 负责：

• 解析 root=（支持设备名、PARTUUID=、PARTLABEL= 等）
• 处理 ro/rw/rootwait 等策略
• prepare_namespace() 完成真实根挂载与切换准备

若使用 initramfs，通常会先跑早期用户空间脚本再切换到真实根。

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8. initcall 机制在启动中的位置

do_initcalls() 是内核驱动/子系统初始化总调度器：

• 按 initcall level 依次执行（early/core/postcore/arch/subsys/fs/device/late）
• 每个 level 会重新解析命令行片段
• 可配 initcall_debug 观测耗时与失败

这套机制决定了绝大多数驱动何时“上线”。

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9. init 目录在系统稳定性中的关键点

1. start_kernel 顺序极其敏感
   中断、调度、内存初始化次序错误会导致早期崩溃。

2. PID1 启动失败直接致命
   run_init_process 全部失败后系统 panic。

3. 根文件系统参数错误常见导致卡启动
   root= 不正确、设备未就绪、initrd 路径错误都会阻塞启动。

4. initcall 卡住会表现为“开机停在某阶段”
   借助 initcall_debug 和 early console 可定位。

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10. 调试建议（面向启动问题）

1. 查看早期日志

   • 使用 earlycon、提高 loglevel
   • 关注 Kernel command line、Run ... as init process 输出

2. 验证 PID1 可执行路径

   • 检查 init= / rdinit= 是否存在并可执行
   • 检查 initramfs 是否包含所需解释器/依赖

3. 定位根挂载问题

   • 核对 root= 语法与设备可见性
   • 必要时加 rootwait

4. 定位驱动初始化卡顿

   • 开启 initcall_debug
   • 根据最后一条 initcall 输出追踪对应驱动

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11. 一句话总结

init/ 的本质是内核启动编排器：
start_kernel 完成核心基础初始化，rest_init 创建 PID1 的 kernel_init 启动任务，kernel_init_freeable 执行驱动与根文件系统准备，最后 run_init_process() 通过 kernel_execve() 把 PID1 替换成用户态 /init 或 /sbin/init。