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.
함수의 입력과 처리 결과를 먼저 확인한다. 구조체를 생성하고 연결하는 시점, 다른 코드에서 사용할 수 있게 하는 시점, 더 이상 사용하지 않아 회수하는 시점을 구분한다.
정상 처리와 오류 처리를 함께 확인한다. 오류 복구, 장치의 실행 중 연결·분리(hotplug), 자원 해제 과정에서도 상태가 올바르게 정리되는지 점검한다.
왼쪽부터 처리 단계를 나열했다. 각 코드 조각에서 바뀌는 상태를 해당 단계와 대조한다.
소스 코드 위치
먼저 확인할 Linux 6.18.37 LTS 소스 파일
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.rst설명: 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
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
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_rodata확인 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.
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
| 함수 | 입력 | 상태 변경 | 확인할 사항 |
|---|---|---|---|
| static int __ref kernel_init | execute_command, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건 | explicit init tried: init= 경로 우선 | initramfs가 unpack됐는지 확인하지 않고 init 실패를 단정함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가 |
| run_init_process | ramdisk_execute_command, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건 | ramdisk init tried: initramfs 경로 확인 | execve 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.
각 단계에서 읽고 쓰는 필드를 구조체 정의와 대조한다.
어떤 코드가 필드를 변경하고 어떤 방식으로 접근을 보호하는지, 객체를 언제 해제하는지 원본 코드에서 확인한다.
| 필드 | 읽는 법 |
|---|---|
| execute_command | init= 지정 경로 |
| ramdisk_execute_command | rdinit= 지정 경로 |
| try_to_run_init_process | fallback 실행 |
| kernel_execve | kernel에서 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.
화살표는 정상 진행 방향을 나타낸다. 중간 단계에서 실패하면 각 단계의 오류 처리 또는 대체 경로로 이동한다.
| 상태 | 의미 | 진입 조건 | 깨지는 지점 |
|---|---|---|---|
| explicit init tried | init= 경로 우선 | 앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤 | 다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때 |
| ramdisk init tried | initramfs 경로 확인 | 앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤 | 다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때 |
| fallback chain | /sbin/init 등 순차 시도 | 앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤 | 다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때 |
| panic on failure | 마지막 실패가 boot panic으로 드러남 | 앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤 | 다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때 |
불변 조건과 실패 사례
init process 실행의 핵심 객체가 외부에 공개된 뒤에는 마지막 참조가 사라질 때까지 해제 경로가 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.
다른 CPU나 하위 계층이 변경된 필드를 읽는다면 잠금과 메모리 배리어가 접근 순서를 어떻게 보장하는지 확인한다. 참조 횟수와 RCU로 관리하는 객체 수명도 별도로 확인한다.
중간 단계에서 실패하면 이미 확보한 자원을 의존 관계에 맞춰 해제해야 한다. goto 레이블이 많다면 각 분기에 도달했을 때 확보한 자원을 표로 정리한다.
임베디드 보드를 처음 구동할 때는 패닉 대신 로그 중단, 시간 초과, 장치 초기화 지연, 과도한 인터럽트 같은 증상으로 문제가 드러날 수 있다.
initramfs가 unpack됐는지 확인하지 않고 init 실패를 단정함
execve 오류 번호를 무시함
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.
| 도구 | 보는 것 |
|---|---|
| initcall_debug | init process 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 |
| strace unavailable so use printk around kernel_execve | init process 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 |
| dmesg init | init process 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 |
| bootconfig init= | init process 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 |
# 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_pipe추가 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?