大西冰城的博客

Linux内核启动探秘：从汇编到C语言的完整调用链路

Linux
Word count: 2.5kReading time: 9 min
2025/09/12
loading

从事嵌入式Linux这么久，一直在dts、驱动、应用等方面打转，对Linux的源码了解甚少。最近决定深入内核源码，就从最基础的问题开始：Linux内核是怎么启动的？它的主入口在哪里？

由于Linux内核是在持续更新中的，本文分析源码时内核版本为6.16.7，其实也大差不差的。

启动流程概览：从硬件到软件的过渡

很多人可能以为Linux内核启动就像普通程序一样，直接从main函数开始。但实际上，在进入到C语言编写的main.c文件之前，系统必须先通过汇编代码完成最基础的硬件初始化工作。

这是因为此时硬件环境还没有准备好运行C语言代码。以x86架构为例，内核的入口文件是arch/x86/boot/header_32.S(32位)或header_64.S(64位)，该文件完成了最初的硬件初始化工作，设置了段寄存器，启用了分页等，然后跳转到C语言编写的main.c文件,这里我们挑选header_64.S，里面有这么一段代码：

1
2
3
4
5
.Ljump_to_C_code:
	xorl	%ebp, %ebp	# clear frame pointer 
	ANNOTATE_RETPOLINE_SAFE
	callq	*initial_code(%rip) #这里很关键
	ud2

这段代码的关键在于第三行的 callq *initial_code(%rip)让我们逐行分析：

  • xorl %ebp, %ebp - 清零帧指针寄存器，为进入C函数做准备
  • ANNOTATE_RETPOLINE_SAFE - 这是一个安全标记，用于防御侧信道攻击
  • callq *initial_code(%rip) - 这是最关键的一行，它通过间接调用跳转到 initial_code 变量所指向的地址
  • ud2 - 未定义指令，如果程序执行到这里说明出现了错误

那么问题来了，这个神秘的 initial_code 到底是什么？它指向哪里？让我们在源码中寻找答案。
在同一个文件中，我们可以找到 initial_code 的定义：

1
2
3
4
    	/* Both SMP bootup and ACPI suspend change these variables */
	__REFDATA
	.balign	8
SYM_DATA(initial_code,	.quad x86_64_start_kernel) # 指向架构相关的启动函数

简单来说，这行代码的意思是：定义一个名为 initial_code 的8字节变量，它的值是 x86_64_start_kernel 函数的地址。

从汇编到C语言的桥梁

那么这个 x86_64_start_kernel又是什么呢，它在哪里呢？当然，不在当前的汇编文件中，而是在 arch/x86/kernel/head_64.c 文件中，这个文件是干什么的呢？其实在开头的注释中已经说明了：

1
2
3
4
5
6
7
8
// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
/*
 *  prepare to run common code
 *  翻译: 准备运行通用代码
 *  Copyright (C) 2000 Andrea Arcangeli <andrea@suse.de> SuSE
 */

/* cpu_feature_enabled() cannot be used this early */

这是个C语言中间文件，它是为运行通用代码做准备的中间层,为进入到真正的内核初始化做准备，好了，废话不多说，我们直接找到x86_64_start_kernel的定义：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
asmlinkage __visible void __init __noreturn x86_64_start_kernel(char *real_mode_data)
{
    /*
     * Build-time sanity checks on the kernel image and module
     * area mappings. (these are purely build-time and produce no code)
     *
     * 翻译: 对内核映像和模块区域映射进行编译时的健全性检查。（这些纯粹是编译时的，不会生成代码）
     */
    BUILD_BUG_ON(MODULES_VADDR < __START_KERNEL_map);                     // 模块虚拟地址必须大于内核映射起始地址
    BUILD_BUG_ON(MODULES_VADDR - __START_KERNEL_map < KERNEL_IMAGE_SIZE); // 模块虚拟地址与内核映射起始地址的差值必须大于内核映像大小
    BUILD_BUG_ON(MODULES_LEN + KERNEL_IMAGE_SIZE > 2 * PUD_SIZE);         // 模块长度加内核映像大小必须小于等于2个PUD大小
    BUILD_BUG_ON((__START_KERNEL_map & ~PMD_MASK) != 0);                  // 内核映射起始地址必须与PMD掩码对齐
    BUILD_BUG_ON((MODULES_VADDR & ~PMD_MASK) != 0);                       // 模块虚拟地址必须与PMD掩码对齐
    BUILD_BUG_ON(!(MODULES_VADDR > __START_KERNEL));                      // 模块虚拟地址必须大于内核起始地址
    MAYBE_BUILD_BUG_ON(!(((MODULES_END - 1) & PGDIR_MASK) ==
                         (__START_KERNEL & PGDIR_MASK)));                 // 模块结束地址与内核起始地址必须在同一页目录
    BUILD_BUG_ON(__fix_to_virt(__end_of_fixed_addresses) <= MODULES_END); // 固定地址结束的虚拟地址必须大于模块结束地址

    cr4_init_shadow(); // 初始化CR4寄存器的影子变量

    /* Kill off the identity-map trampoline 翻译: 取消恒等映射的跳板 */
    reset_early_page_tables(); // 重置早期页表，取消恒等映射

    if (pgtable_l5_enabled())
    {                                             // 如果启用了5级页表
        page_offset_base = __PAGE_OFFSET_BASE_L5; // 设置5级页表的页面偏移基址
        vmalloc_base = __VMALLOC_BASE_L5;         // 设置5级页表的虚拟内存分配基址
        vmemmap_base = __VMEMMAP_BASE_L5;         // 设置5级页表的虚拟内存映射基址
    }

    clear_bss(); // 清理BSS段

    /*
     * This needs to happen *before* kasan_early_init() because latter maps stuff
     * into that page.
     *
     * 翻译: 这需要在kasan_early_init()之前完成，因为后者会映射一些东西到该页面。
     */
    clear_page(init_top_pgt); // 清零初始化的顶级页表

    /*
     * SME support may update early_pmd_flags to include the memory
     * encryption mask, so it needs to be called before anything
     * that may generate a page fault.
     *
     * 翻译: SME支持可能会更新early_pmd_flags以包含内存加密掩码，因此需要在可能生成页面错误的任何操作之前调用它。
     */
    sme_early_init(); // 早期初始化内存加密支持

    kasan_early_init(); // 早期初始化内核地址空间布局随机化

    /*
     * Flush global TLB entries which could be left over from the trampoline page
     * table.
     *
     * This needs to happen *after* kasan_early_init() as KASAN-enabled .configs
     * instrument native_write_cr4() so KASAN must be initialized for that
     * instrumentation to work.
     *
     * 翻译: 刷新可能遗留在跳板页表中的全局TLB条目。
     * 这需要在kasan_early_init()之后进行，因为启用KASAN的.configs
     * 会对native_write_cr4()进行插装，因此必须初始化KASAN才能使该插装工作。
     */
    __native_tlb_flush_global(this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4)); // 刷新全局TLB条目

    idt_setup_early_handler(); // 设置早期的中断描述符表处理程序

    /* Needed before cc_platform_has() can be used for TDX */
    tdx_early_init(); // 早期初始化可信执行环境

    copy_bootdata(__va(real_mode_data)); // 复制实模式数据到内核虚拟地址空间

    /*
     * Load microcode early on BSP.
     * 翻译: 在BSP上尽早加载微码。
     */
    load_ucode_bsp();

    /* set init_top_pgt kernel high mapping*/
    init_top_pgt[511] = early_top_pgt[511]; // 设置内核高映射的顶级页表项

    x86_64_start_reservations(real_mode_data); // 进入内核预留资源初始化函数
}

这个函数是内核启动的关键转折点，主要解决以下几个核心问题：

内存安全性验证：这些BUILD_BUG_ON检查确保内核在编译时就能发现内存布局问题，避免运行时的灾难性错误。

页表管理的准确性：此时需要从早期的简单映射切换到正式的虚拟内存管理。5级页表是Intel在Skylake-X架构引入的特性，支持128PB的虚拟地址空间，主要用于大型数据中心和高性能计算场景。

安全功能的时序要求：SME（内存加密）、KASAN（地址检测）、TDX（可信执行）等安全功能有严格的初始化顺序，必须在特定时机启用以确保整个系统的安全基础。

硬件兼容性：不同的CPU特性（如微码更新、中断处理）需要在合适的时机初始化，确保内核能在各种硬件平台上正确运行。

做完这些准备工作后，最后调用了x86_64_start_reservations函数：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
void __init __noreturn x86_64_start_reservations(char *real_mode_data)
{
    /* version is always not zero if it is copied */
    if (!boot_params.hdr.version)            // 检查引导参数版本
        copy_bootdata(__va(real_mode_data)); // 复制引导数据

    x86_early_init_platform_quirks(); // 处理平台特性

    switch (boot_params.hdr.hardware_subarch) // 根据硬件子架构进行不同的初始化
    {
    case X86_SUBARCH_INTEL_MID:      // Intel MID平台
        x86_intel_mid_early_setup(); // 进行Intel MID的早期设置
        break;
    default:
        break;
    }

    start_kernel(); // 看这里，终于进入到真正的内核初始化函数了
}

虽然代码看起来挺复杂，但对于我们理解内核启动流程来说，最重要的就是最后一行 start_kernel()，这个函数才是真正的内核主入口点，接下来我们就来到了Linux内核的大门口main.c文件了。

内核的真正入口：main.c

main.c文件位于init/main.c，这是内核初始化的核心文件，包含了内核启动时的各种初始化工作，那么直接看start_kernel()函数的定义：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
void start_kernel(void)
{
    char *command_line;
    char *after_dashes;

    set_task_stack_end_magic(&init_task); // 设置栈结束标记
    smp_setup_processor_id();             // 设置处理器ID
    debug_objects_early_init();           // 调试对象初始化
    init_vmlinux_build_id();              // 初始化内核构建ID

    cgroup_init_early(); // 早期控制组初始化

    local_irq_disable();             // 禁用本地中断
    early_boot_irqs_disabled = true; // 标记早期中断已禁用

    /*
     * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
     * enable them.
	 * 翻译: 中断仍然被禁用。进行必要的设置，然后启用它们。
     */
    boot_cpu_init();               // 启动CPU初始化
    page_address_init();           // 页地址初始化
    pr_notice("%s", linux_banner); // 打印内核启动横幅
    setup_arch(&command_line);     // 架构相关的设置
    /* Static keys and static calls are needed by LSMs */
    jump_label_init(); // 跳转标签初始化

    /** ... 省略部分代码 ... **/
    /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive 翻译: 其余部分不再是__init'，终于活过来了 */
    rest_init(); // 剩余初始化

    /*
     * Avoid stack canaries in callers of boot_init_stack_canary for gcc-10
     * and older.
     *
     * 翻译: 避免在gcc-10及更早版本的boot_init_stack_canary调用者中使用栈保护
     */
#if !__has_attribute(__no_stack_protector__) // 如果编译器不支持no_stack_protector属性
    prevent_tail_call_optimization();        // 防止尾调用优化
#endif
}

你可以看到，这个函数做了很多初始化工作，比如 boot_cpu_init() 是在初始化启动CPU，page_address_init() 初始化页地址映射等等，当然，这里只是展示了部分代码，start_kernel() 函数非常长，感兴趣的小伙伴可以自行查看源码，这里如果展开全部讲，我们可能需要写一本书了，哈哈。

所以，到这里我们就明白了，Linux内核的启动流程大致如下：

1
2
3
4
5
6
7
1. 汇编代码初始化 (header_64.S)
   ↓
2. 跳转到C语言中间层 (x86_64_start_kernel)
   ↓  
3. 进入内核主入口 (start_kernel)
   ↓
4. 各种初始化

本文只是对Linux内核启动流程的一个初步探讨，内核源码非常庞大且复杂，如果一开始就不放过每一个细节,会陷入无尽的细节中无法抽身，所以我们先从整体上把握大致流程，一步一步深入，希望对大家有所帮助。如果你对某个具体的初始化步骤感兴趣，可以继续深入研究相关代码

Author：大西冰城

Link：http://steven-feng.com/2025/09/12/Linux%E5%86%85%E6%A0%B8%E5%90%AF%E5%8A%A8%E6%8E%A2%E7%A7%98%EF%BC%9A%E4%BB%8E%E6%B1%87%E7%BC%96%E5%88%B0C%E8%AF%AD%E8%A8%80%E7%9A%84%E5%AE%8C%E6%95%B4%E8%B0%83%E7%94%A8%E9%93%BE%E8%B7%AF/

Publish date：September 12th 2025, 4:54:40 pm

Update date：September 13th 2025, 5:03:06 pm

License：本文采用知识共享署名-非商业性使用 4.0 国际许可协议进行许可

CATALOG
  1. 1. 启动流程概览：从硬件到软件的过渡
  2. 2. 从汇编到C语言的桥梁
  3. 3. 内核的真正入口：main.c
Total : 10
2025
2021
2020
Linux SQLServer MyBatis-Plus Hexo 嵌入式开发
Linux运维 开发环境摸坑 业余玩法