Boot / Init · Linux 6.18.37 LTS · source + diagram note

init process 실행

최신 LTS 기준: kernel.org longterm 6.18.37 기준으로 파일 위치와 링크를 맞춘 원본 코드 분석 노트입니다. /init, init=, rdinit=, /sbin/init fallback.

전체 흐름

부팅 코드는 이미 완성된 커널 위에서 실행되는 코드가 아니다. allocator, scheduler, IRQ, RCU, driver core가 아직 부분적으로만 준비된 상태에서 다음 단계의 전제 조건을 만드는 코드다. 따라서 함수 호출 순서보다 '이 호출 이후 무엇이 가능해지는가'를 표시해야 한다.

핵심 확인 사항

함수의 입력과 처리 결과를 먼저 확인한다. 구조체를 생성하고 연결하는 시점, 다른 코드에서 사용할 수 있게 하는 시점, 더 이상 사용하지 않아 회수하는 시점을 구분한다.

오류 처리 확인

정상 처리와 오류 처리를 함께 확인한다. 오류 복구, 장치의 실행 중 연결·분리(hotplug), 자원 해제 과정에서도 상태가 올바르게 정리되는지 점검한다.

그림 1. init process 실행 이 kernel 안에서 놓이는 위치
bootloader stateFDT, initrd, command line, image placement
→
early kernelmemblock, early params, boot CPU identity
→
generic initallocator, scheduler, IRQ, timekeeping
→
pid 1 / kthreaddinitcall, rootfs, userspace handoff

왼쪽부터 처리 단계를 나열했다. 각 코드 조각에서 바뀌는 상태를 해당 단계와 대조한다.

소스 코드 위치

먼저 확인할 Linux 6.18.37 LTS 소스 파일

원본 코드:
Linux 6.18.37 LTS: init/main.c
Linux 6.18.37 LTS: fs/exec.c
Linux 6.18.37 LTS: init/do_mounts.c
Linux 6.18.37 LTS: Documentation/admin-guide/init.rst

설명: 진입 함수가 있는 파일과 구조체 정의, 아키텍처별 연결 코드, 콜백 구현을 함께 확인한다. 여러 파일을 대조해야 호출 관계와 각 코드의 역할을 알 수 있다.

대표 코드

static int __ref kernel_init

원본 코드: init/main.c, 1423행 부근
void __weak free_initmem(void)
{
	free_initmem_default(POISON_FREE_INITMEM);
}

static int __ref kernel_init(void *unused)
{
	int ret;

	/*
	 * Wait until kthreadd is all set-up.
	 */
	wait_for_completion(&kthreadd_done);

	kernel_init_freeable();
	/* need to finish all async __init code before freeing the memory */
	async_synchronize_full();

	system_state = SYSTEM_FREEING_INITMEM;
	kprobe_free_init_mem();
	ftrace_free_init_mem();
	kgdb_free_init_mem();
	exit_boot_config();
	free_initmem();
	mark_readonly();

	/*
	 * Kernel mappings are now finalized - update the userspace page-table
	 * to finalize PTI.
	 */
	pti_finalize();

	system_state = SYSTEM_RUNNING;
	numa_default_policy();

	rcu_end_inkernel_boot();

	do_sysctl_args();

	if (ramdisk_execute_command) {

확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.

run_init_process

원본 코드: init/main.c, 1336행 부근
	trace_initcall_level("early");
	for (fn = __initcall_start; fn < __initcall0_start; fn++)
		do_one_initcall(initcall_from_entry(fn));
}

static int run_init_process(const char *init_filename)
{
	const char *const *p;

	argv_init[0] = init_filename;
	pr_info("Run %s as init process\n", init_filename);
	pr_debug("  with arguments:\n");
	for (p = argv_init; *p; p++)
		pr_debug("    %s\n", *p);
	pr_debug("  with environment:\n");
	for (p = envp_init; *p; p++)
		pr_debug("    %s\n", *p);
	return kernel_execve(init_filename, argv_init, envp_init);
}

static int try_to_run_init_process(const char *init_filename)
{
	int ret;

	ret = run_init_process(init_filename);

	if (ret && ret != -ENOENT) {
		pr_err("Starting init: %s exists but couldn't execute it (error %d)\n",
		       init_filename, ret);
	}

	return ret;
}

static noinline void __init kernel_init_freeable(void);

#if defined(CONFIG_STRICT_KERNEL_RWX) || defined(CONFIG_STRICT_MODULE_RWX)
bool rodata_enabled __ro_after_init = true;

#ifndef arch_parse_debug_rodata

확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.

함수별 분석

커널 스레드였던 PID 1이 실제 /init 또는 /sbin/init 계열 사용자 공간 프로그램으로 전환되는 마지막 부팅 단계다.

원본 코드를 함수별로 나누어 살펴본다. 각 함수가 준비하는 값과 다음 함수가 그 값을 사용하는 방식을 확인한다.

그림 2. init process 실행 함수 체인과 관찰 지점
entrycaller가 넘기는 객체와 context를 확정
→
static int __ref kernel_initinit= 경로 우선
→
run_init_processinitramfs 경로 확인
→
observable statetracepoint, counter, sysfs/proc에서 확인되는 결과

각 단계의 입력과 처리 결과를 연결해 본다. 다음 단계로 넘어가기 전에 바뀌는 필드를 코드에서 확인한다.

1. static int __ref kernel_init

static int __ref kernel_init 주변에서는 execute_command를 중심으로 본다. 이 필드는 init= 지정 경로 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 explicit init tried 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 다음 함수가 init= 경로 우선을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: initramfs가 unpack됐는지 확인하지 않고 init 실패를 단정함

2. run_init_process

run_init_process 주변에서는 ramdisk_execute_command를 중심으로 본다. 이 필드는 rdinit= 지정 경로 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 ramdisk init tried 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 다음 함수가 initramfs 경로 확인을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: execve 오류 번호를 무시함

함수입력상태 변경확인할 사항
static int __ref kernel_initexecute_command, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건explicit init tried: init= 경로 우선initramfs가 unpack됐는지 확인하지 않고 init 실패를 단정함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
run_init_processramdisk_execute_command, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건ramdisk init tried: initramfs 경로 확인execve 오류 번호를 무시함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체와 필드

구조체의 필드를 언제 바꿀 수 있고 다른 코드가 언제 읽을 수 있는지 확인한다. 필드의 의미와 함께 잠금 등 접근을 보호하는 규칙을 살펴본다.

그림 3. init process 실행 핵심 필드 연결
execute_commandinit= 지정 경로
→
ramdisk_execute_commandrdinit= 지정 경로
→
try_to_run_init_processfallback 실행
→
kernel_execvekernel에서 execve로 전환

각 단계에서 읽고 쓰는 필드를 구조체 정의와 대조한다.

어떤 코드가 필드를 변경하고 어떤 방식으로 접근을 보호하는지, 객체를 언제 해제하는지 원본 코드에서 확인한다.

필드읽는 법
execute_commandinit= 지정 경로
ramdisk_execute_commandrdinit= 지정 경로
try_to_run_init_processfallback 실행
kernel_execvekernel에서 execve로 전환

실행 단계와 상태 변화

실행 단계를 따로 정리하면 정상 경로와 실패 경로를 나란히 비교할 수 있다. 커널 문제는 최종 결과보다 준비가 덜 된 중간 상태를 다른 코드에 공개한 뒤, 실패 시 제대로 정리하지 못할 때 자주 발생한다.

그림 4. init process 실행 단계
explicit init triedinit= 경로 우선
→
ramdisk init triedinitramfs 경로 확인
→
fallback chain/sbin/init 등 순차 시도
→
panic on failure마지막 실패가 boot panic으로 드러남

화살표는 정상 진행 방향을 나타낸다. 중간 단계에서 실패하면 각 단계의 오류 처리 또는 대체 경로로 이동한다.

상태의미진입 조건깨지는 지점
explicit init triedinit= 경로 우선앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
ramdisk init triedinitramfs 경로 확인앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
fallback chain/sbin/init 등 순차 시도앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
panic on failure마지막 실패가 boot panic으로 드러남앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
init process 실행 검토 기준 = 상태 변화 + 소유권 변화 + 외부 공개 시점

불변 조건과 실패 사례

lifetime

init process 실행의 핵심 객체가 외부에 공개된 뒤에는 마지막 참조가 사라질 때까지 해제 경로가 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.

ordering

다른 CPU나 하위 계층이 변경된 필드를 읽는다면 잠금과 메모리 배리어가 접근 순서를 어떻게 보장하는지 확인한다. 참조 횟수와 RCU로 관리하는 객체 수명도 별도로 확인한다.

오류 복구

중간 단계에서 실패하면 이미 확보한 자원을 의존 관계에 맞춰 해제해야 한다. goto 레이블이 많다면 각 분기에 도달했을 때 확보한 자원을 표로 정리한다.

bring-up symptom

임베디드 보드를 처음 구동할 때는 패닉 대신 로그 중단, 시간 초과, 장치 초기화 지연, 과도한 인터럽트 같은 증상으로 문제가 드러날 수 있다.

주의

initramfs가 unpack됐는지 확인하지 않고 init 실패를 단정함

주의

execve 오류 번호를 무시함

주의

console이 안 잡혀 panic 원인을 놓침

계측과 검증

로그를 무작정 추가하지 말고 확인할 가설을 먼저 세운다. 상태표에서 처리가 멈춘 단계를 찾은 뒤, 상태를 바꾸는 함수와 그 결과를 사용하는 함수를 함께 살펴본다.

로그가 출력되었다고 처리가 끝난 것으로 판단하지 않는다. 원본 코드에서 로그 앞뒤의 필드 변경을 확인한다.

도구보는 것
initcall_debuginit process 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
strace unavailable so use printk around kernel_execveinit process 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
dmesg initinit process 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
bootconfig init=init process 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
기본 추적 경로:
# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe

추가 확인 사항

  • init process 실행 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
  • init process 실행 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
  • 실험으로 확인한다면 'initramfs가 unpack됐는지 확인하지 않고 init 실패를 단정함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
  • 실험으로 확인한다면 'execve 오류 번호를 무시함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?