操作系统启动后到底做了什么

• CPU Reset → Firmware → Loader → Kernel _start() → 第一个程序 /bin/init → 程序 (状态机) 执行 + 系统调用

• 操作系统会加载 “第一个程序”

  • 寻找启动程序代码

  • if (!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"))
    		return 0;
    
    	panic("No working init found.  Try passing init= option to kernel. "
    	      "See Linux Documentation/admin-guide/init.rst for guidance.");
    

  • linux中的pstree的systemd的来历

  • 

fork()

• 操作系统：状态机的管理者
  • C 程序 = 状态机
    • 初始状态：main(argc, argv)
    • 程序可以直接在处理器上执行
  • 虚拟化：操作系统在物理内存中保存多个状态机
    • 通过虚拟内存实现每次 “拿出来一个执行”
    • 中断后进入操作系统代码，“换一个执行”
• int fork();
  • 立即复制状态机 (完整的内存)
  • 新创建进程返回 0
  • 执行 fork 的进程返回子进程的进程号
• 因为状态机是复制的，因此总能找到 “父子关系”
  • 因此有了进程树 (pstree)
  • 

execve()

• 状态机管理：替换状态机
  • int execve(const char *filename, char * const argv, char * const envp);
    • 执行名为 filename 的程序
    • 允许对新状态机设置参数 argv (v) 和环境变量 envp (e)
    • 刚好对应了 main() 的参数！
• 环境变量：“应用程序执行的环境”
  • 使用env命令查看
    • PATH: 可执行文件搜索路径
    • PWD: 当前路径
    • HOME: home 目录
    • DISPLAY: 图形输出
    • PS1: shell 的提示符
  • export: 告诉 shell 在创建子进程时设置环境变量
• _exit()
  • 状态机管理：终止状态机
    • void _exit(int status)
      • 销毁当前状态机，并允许有一个返回值
      • 子进程终止会通知父进程
  • 结束程序执行的三种方法
    • exit(0) - stdlib.h 中声明的 libc 函数
      • 会调用 atexit(清理空间，安全退出)
    • _exit(0) - glibc 的 syscall wrapper
      • 执行 “exit_group” 系统调用终止整个进程 (所有线程)
      • 不会调用 atexit
    • syscall(SYS_exit, 0)
      • 执行 “exit” 系统调用终止当前线程
      • 不会调用 atexit
• 程序的创建执行和销毁过程
  系统初始化的程序，通常是 init（在一些现代系统如 Fedora、Ubuntu 上通常是 systemd），负责进一步初始化操作系统并启动其他服务或进程。下面，我们将详细探讨在操作系统启动第一个程序后，如何使用 fork, execve, _exit 来创建、执行和销毁程序的过程。

程序的创建、执行和销毁

1. 初始化和启动首个进程

   • 操作系统通过加载并执行 init 程序（或者在一些系统中是 systemd）开始。这个程序成为系统中的第一个进程（通常是进程号为1）。

2. 进程的创建 (使用 fork)

   • 当系统需要创建一个新的进程时，init（或任何正在运行的进程）会调用 fork() 系统调用。fork() 创建一个与父进程几乎完全相同的子进程，拥有相同的内存映像和运行状态，但有一个新的唯一进程标识符。
   • 父进程中 fork() 返回新创建的子进程的进程ID，而在子进程中 fork() 返回0。

3. 进程的执行 (使用 execve)

   • 通常在 fork() 之后，子进程需要运行与父进程不同的代码。为此，子进程会调用 execve() 系统调用，这个调用加载一个新的程序到当前进程的地址空间，并开始执行这个程序，从其 main 函数开始。
   • execve() 需要指定程序的路径、传递给程序的参数列表（argv），以及环境变量列表（envp）。这意味着执行后，子进程的原有代码和数据将被新程序替换。

4. 进程的终止 (使用 _exit)

   • 当程序执行完成后，它可以通过调用 _exit() 系统调用来终止。这个调用立即结束进程的执行，并将一个状态码返回给操作系统，这个状态码可以被父进程通过 wait() 系列的调用来检索。
   • 使用 _exit() 而不是标准的 exit() 函数，因为后者还会执行标准库注册的各种清理函数（如由 atexit() 注册的函数），这在某些情况下可能不是必需或期望的。

实例：简单的 shell

假设 init 系统已经启动，并且我们需要从一个简化的 shell 启动一个程序，如 ls 命令。以下是这个过程的概述：

1. Shell 进程调用 fork()，创建一个子进程。
2. 子进程使用 execve() 调用来加载并运行 ls 命令。
3. ls 命令执行完成后，子进程调用 _exit() 来结束执行，返回执行结果状态。
4. Shell 进程使用 wait() 等待子进程结束，并获取其终止状态。

这样，我们就看到了一个完整的程序生命周期：创建、执行和终止，都是通过操作系统提供的系统调用来管理的。