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: kernel/fork.c
Linux 6.18.37 LTS: kernel/kthread.c
Linux 6.18.37 LTS: kernel/sched/idle.c설명: 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
kernel_thread(kthreadd, ...)
tsk->flags |= PF_NO_SETAFFINITY;
set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpumask_of(smp_processor_id()));
rcu_read_unlock();
numa_default_policy();
pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
rcu_read_lock();
kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
rcu_read_unlock();
/*
* Enable might_sleep() and smp_processor_id() checks.
* They cannot be enabled earlier because with CONFIG_PREEMPTION=y
* kernel_thread() would trigger might_sleep() splats. With
* CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY=y the init task might have scheduled
* already, but it's stuck on the kthreadd_done completion.
*/
system_state = SYSTEM_SCHEDULING;
complete(&kthreadd_done);
/*
* The boot idle thread must execute schedule()
* at least once to get things moving:
*/
schedule_preempt_disabled();
/* Call into cpu_idle with preempt disabled */
cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
}
/* Check for early params. */
static int __init do_early_param(char *param, char *val,
const char *unused, void *arg)
{
const struct obs_kernel_param *p;
for (p = __setup_start; p < __setup_end; p++) {
if ((p->early && parameq(param, p->str)) ||
(strcmp(param, "console") == 0 &&
strcmp(p->str, "earlycon") == 0)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
boot CPU가 직접 모든 일을 계속하는 단계에서 pid 1과 kthreadd에게 진행권을 넘기는 handoff 지점이다.
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. kernel_thread(kthreadd, ...)
kernel_thread(kthreadd, ...) 주변에서는 kthreadd_task를 중심으로 본다. 이 필드는 kthread 생성의 중심 task 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 kthreadd spawned 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 kthread factory가 준비됨을 전제로 삼을 수 있다.
자주 틀리는 해석: kthreadd_done 기다림 의미를 단순 sleep으로 봄
| 함수 | 입력 | 상태 변경 | 확인할 사항 |
|---|---|---|---|
| kernel_thread(kthreadd, ...) | kthreadd_task, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건 | kthreadd spawned: kthread factory가 준비됨 | kthreadd_done 기다림 의미를 단순 sleep으로 봄 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 |
|---|---|
| kthreadd_task | kthread 생성의 중심 task |
| kernel_init | pid 1 kernel thread entry |
| kthreadd_done | pid 1이 kthreadd 준비를 기다리는 completion |
| cpu_startup_entry | boot CPU idle 진입 |
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 |
|---|---|---|---|
| kernel_init spawned | userspace init으로 이어질 thread가 생김 | 앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤 | 다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때 |
| kthreadd spawned | kthread factory가 준비됨 | 앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤 | 다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때 |
| completion signaled | pid 1이 다음 단계 진행 가능 | 앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤 | 다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때 |
| idle entered | boot CPU는 scheduler idle loop에 들어감 | 앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤 | 다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때 |
불변 조건과 실패 사례
rest_init()의 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.
kthreadd_done 기다림 의미를 단순 sleep으로 봄
pid 1과 kthreadd 생성 순서를 뒤집어 해석함
idle 진입 뒤에도 start_kernel이 계속 실행된다고 착각함
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 |
|---|---|
| sched_process_fork | rest_init() 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 |
| initcall_debug | rest_init() 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 |
| ftrace:rest_init | rest_init() 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 |
| ps -e -o pid,ppid,comm | rest_init() 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
- rest_init() 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
- rest_init() 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
- 실험으로 확인한다면 'kthreadd_done 기다림 의미를 단순 sleep으로 봄' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
- 실험으로 확인한다면 'pid 1과 kthreadd 생성 순서를 뒤집어 해석함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?