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[其他]剖析Linux系统启动过程

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本文以RedHat9.0和i386平台为例,剖析了从用户打开电源直到屏幕出现命令行提示符的整个Linux启动过程。并且介绍了启动中涉及到的各种文件。 fYUbr"Oe  
-H9WwFk  
  阅读Linux源代码,无疑是深入学习Linux的最好方法。在本文对Linux启动过程的介绍中,我们也尝试从源代码的视角来更深入的剖析Linux的启动过程,所以其中也简单涉及到部分相关的Linux源代码,Linux启动这部分的源码主要使用的是C语言,也涉及到了少量的汇编。而启动过程中也执行了大量的shell(主要是bash shell)所写脚本。为了方便读者阅读,笔者将整个Linux启动过程分成以下几个部分逐一介绍,大家可以参考下图: Gf\u%S!%  
iJVm=0WS^  
  当用户打开PC的电源,BIOS开机自检,按BIOS中设置的启动设备(通常是硬盘)启动,接着启动设备上安装的引导程序lilo或grub开始引导Linux,Linux首先进行内核的引导,接下来执行init程序,init程序调用了rc.sysinit和rc等程序,rc.sysinit和rc当完成系统初始化和运行服务的任务后,返回init;init启动了mingetty后,打开了终端供用户登录系统,用户登录成功后进入了Shell,这样就完成了从开机到登录的整个启动过程。 +_v#V9?  
mz?1J4rt  
Fa-F`U@h(m  
2{I+H'w8:  
下面就将逐一介绍其中几个关键的部分: }KFM8CbS  
{1m.d;(1  
XO,gEn&6V  
zelM}/d  
  第一部分:内核的引导(核内引导) ;|AyP  
B~7]x;8h  
  Red Hat9.0可以使用lilo或grub等引导程序开始引导Linux系统,当引导程序成功完成引导任务后,Linux从它们手中接管了CPU的控制权,然后CPU就开始执行Linux的核心映象代码,开始了Linux启动过程。这里使用了几个汇编程序来引导Linux,这一步泛及到Linux源代码树中的“arch/i386/boot”下的这几个文件:bootsect.S、setup.S、video.S等。 WeE1 \  
141XnAb)I  
  其中bootsect.S是生成引导扇区的汇编源码,它完成加载动作后直接跳转到setup.S的程序入口。setup.S的主要功能就是将系统参数(包括内存、磁盘等,由BIOS返回)拷贝到特别内存中,以便以后这些参数被保护模式下的代码来读取。此外,setup.S还将video.S中的代码包含进来,检测和设置显示器和显示模式。最后,setup.S将系统转换到保护模式,并跳转到 0x100000。 st-I7K\v  
SPo}!&p$~  
  那么0x100000这个内存地址中存放的是什么代码?而这些代码又是从何而来的呢? P2=u-{?~  
ew 4pAav  
  0x100000这个内存地址存放的是解压后的内核,因为Red Hat提供的内核包含了众多驱动和功能而显得比较大,所以在内核编译中使用了“makebzImage”方式,从而生成压缩过的内核,在RedHat中内核常常被命名为vmlinuz,在Linux的最初引导过程中,是通过"arch/i386/boot/compressed/"中的head.S利用misc.c中定义的decompress_kernel()函数,将内核vmlinuz解压到0x100000的。 q :-1ul  
,;~@t:!c  
  当CPU跳到0x100000时,将执行"arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32,它也是vmlinux的入口,然后就跳转到start_kernel()中去了。start_kernel()是"init/main.c"中的定义的函数,start_kernel()中调用了一系列初始化函数,以完成kernel本身的设置。start_kernel()函数中,做了大量的工作来建立基本的Linux核心环境。如果顺利执行完start_kernel(),则基本的Linux核心环境已经建立起来了。 E%vT(Kz  
I W5N^J  
  在start_kernel()的最后,通过调用init()函数,系统创建第一个核心线程,启动了init过程。而核心线程init()主要是来进行一些外设初始化的工作的,包括调用do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化。并完成文件系统初始化和root文件系统的安装。 d6+{^v$#  
5~\GAjf  
  当do_basic_setup()函数返回init(),init()又打开了/dev/console设备,重定向三个标准的输入输出文件stdin、stdout和stderr到控制台,最后,搜索文件系统中的init程序(或者由init=命令行参数指定的程序),并使用 execve()系统调用加载执行init程序。到此init()函数结束,内核的引导部分也到此结束了。 %W,V~kb  
A`ScAzx5{  
第二部分:运行init uG{/yJeU  
HrH! 'bd  
DxJY{e9  
0p[-M`D  
  init的进程号是1,从这一点就能看出,init进程是系统所有进程的起点,Linux在完成核内引导以后,就开始运行init程序,。init程序需要读取配置文件/etc/inittab。inittab是一个不可执行的文本文件,它有若干行指令所组成。在Redhat系统中,inittab的内容如下所示(以“###"开始的中注释为笔者增加的): 4)+L(KyB2  
.y^T 3?}I  
  # 9KDm<Q-mf  
  # inittab This file describes how the INIT process should set up ;k5B@z/<S  
  # the system in a certain run-level. %hV]vm  
  # {LoNp0i1a  
  # Author: Miquel van Smoorenburg, <miquels@drinkel.nl.mugnet.org> *4?%Y8;bF6  
  # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes 5%;=(Oig  
  # N5|wBm>m  
XG;Dj<Dm  
  # Default runlevel. The runlevels used by RHS are: KxUO=v<u  
  # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this) {D7v[P+  
  # 1 - Single user mode 8Y&_X0T|  
  # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking) se`^g ,]P  
  # 3 - Full multiuser mode ql(~3/kA_  
  # 4 - unused )bR`uV9<  
  # 5 - X11 [6cf$FS9  
  # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this) )A=&3Ui)ab  
  # z-G*:DfgH  
  ###表示当前缺省运行级别为5(initdefault); 1CA% nqlng  
  id:5:initdefault: }x(Ewr  
1}"Prx-  
  ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit) /\d@AB^5I  
  # System initialization. 9 gWqs'  
  si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit `i{p6-U3  
h}yfL@  
  l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0 TpAso[r  
  l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1 uE-|]QQo  
  l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2 prO ~g  
  l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3 ^+rI=c 0  
  l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4 + 3c (CTz  
  ###当运行级别为5时,以5为参数运行/etc/rc.d/rc脚本,init将等待其返回(wait)  re@;6o  
  l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5 0+6=ag%  
  l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6 `IH*~d]  
VX]Ud\(  
  ###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统 Zx U?d   
  # Trap CTRL-ALT-DELETE |0xP'(  
  ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now )8 %lZ {  
Fb<fQIa  
  # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes ^C70b)68  
  # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now. t 4>\ ;  
  # This does, of course, assume you have powerd installed and your UIK4]cYC'  
  # UPS connected and working correctly. u -A_l<K  
  pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down" h_\OtoRa  
dlCmSCp%  
  # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it. |^C35 6M>  
  pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled" QR {>]I  
\vF*n Z5/  
  ###在2、3、4、5级别上以ttyX为参数执行/sbin/mingetty程序,打开ttyX终端用于用户登录, - sL4tMP  
  ###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn) M=#g_*d  
  # Run gettys in standard runlevels 3h**y %^  
  1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1 iG+=whvL  
  2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2 xaNM?]%  
  3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3 *s$:"g-  
  4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4 1!&m1  
  5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5 OEhDRU%k  
  6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6 jq( QL%)_O  
]^I[SG,  
  ###在5级别上运行xdm程序,提供xdm图形方式登录界面,并在退出时重新执行(respawn) Aga{EKd  
  # Run xdm in runlevel 5 Y%Tm `$^V  
  x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon DT3koci(  
g96]>]A<{  
 以上面的inittab文件为例,来说明一下inittab的格式。其中以#开始的行是注释行,除了注释行之外,每一行都有以下格式: 9@wmngvM*Y  
M sQ=1  
)uC5  
FZx.Yuv  
  id:runlevel:action:process !XQ)>T^G5  
U?A3>  
  对上面各项的详细解释如下: Esdw^MGL2  
AYv7- !Yk  
  1. id C~R,,  
csj 4?]gI  
  id是指入口标识符,它是一个字符串,对于getty或mingetty等其他login程序项,要求id与tty的编号相同,否则getty程序将不能正常工作。 }TRVCF1  
2-beq<I  
  2. runlevel J=Hyoz+9  
X1o=rT  
  runlevel是init所处于的运行级别的标识,一般使用0-6以及S或s。0、1、6运行级别被系统保留:其中0作为shutdown动作,1作为重启至单用户模式,6为重启;S和s意义相同,表示单用户模式,且无需inittab文件,因此也不在inittab中出现,实际上,进入单用户模式时,init直接在控制台(/dev/console)上运行/sbin/sulogin。在一般的系统实现中,都使用了2、3、4、5几个级别,在Redhat系统中,2表示无NFS支持的多用户模式,3表示完全多用户模式(也是最常用的级别),4保留给用户自定义,5表示XDM图形登录方式。7-9级别也是可以使用的,传统的Unix系统没有定义这几个级别。runlevel可以是并列的多个值,以匹配多个运行级别,对大多数action来说,仅当runlevel与当前运行级别匹配成功才会执行。 >j)y7DSE  
Mi047-% (  
  3. action x,UP7=6  
V=)' CCi{  
  action是描述其后的process的运行方式的。action可取的值包括:initdefault、sysinit、boot、bootwait等: /A93mY[  
*Ke\Yb  
  initdefault是一个特殊的action值,用于标识缺省的启动级别;当init由核心激活以后,它将读取inittab中的initdefault项,取得其中的runlevel,并作为当前的运行级别。如果没有inittab文件,或者其中没有initdefault项,init将在控制台上请求输入runlevel。 Uf#9y182*c  
9YY*)5eyD  
  sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel。 M?QX'fia  
O6 n]l  
  其余的action(不含initdefault)都与某个runlevel相关。各个action的定义在inittab的man手册中有详细的描述。 Xd5uF/w  
2<tU  
  4. process Vr hd\  
`Hd~H  
  process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。 La r9}nx0  
SHRn $<  
  第三部分:系统初始化 WB3YN+Xl3  
Lc_cB`  
  在init的配置文件中有这么一行: );d"gv(]D  
4rUOk"li  
  si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit e`zCz`R  
l!j,9wz7  
  它调用执行了/etc/rc.d/rc.sysinit,而rc.sysinit是一个bash shell的脚本,它主要是完成一些系统初始化的工作,rc.sysinit是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。它主要完成的工作有:激活交换分区,检查磁盘,加载硬件模块以及其它一些需要优先执行任务。 DeTLh($\  
G<Y}QhFU  
  rc.sysinit约有850多行,但是每个单一的功能还是比较简单,而且带有注释,建议有兴趣的用户可以自行阅读自己机器上的该文件,以了解系统初始化所详细情况。由于此文件较长,所以不在本文中列出来,也不做具体的介绍。 tgC)vZ&a  
 0X}0,  
  当rc.sysinit程序执行完毕后,将返回init继续下一步。 LN`Y`G|op  
N1Dr'aw*  
第四部分:启动对应运行级别的守护进程 uA~?z :~=  
G#j~8`3X  
lQ#='Jqfp  
mZ~f?{  
  在rc.sysinit执行后,将返回init继续其它的动作,通常接下来会执行到/etc/rc.d/rc程序。以运行级别3为例,init将执行配置文件inittab中的以下这行: B!((N{4H+  
&{gy{npQ  
  l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5 r*{`_G=1  
q``:[Sz  
  这一行表示以5为参数运行/etc/rc.d/rc,/etc/rc.d/rc是一个Shell脚本,它接受5作为参数,去执行/etc/rc.d/rc5.d/目录下的所有的rc启动脚本,/etc/rc.d/rc5.d/目录中的这些启动脚本实际上都是一些链接文件,而不是真正的rc启动脚本,真正的rc启动脚本实际上都是放在/etc/rc.d/init.d/目录下。而这些rc启动脚本有着类似的用法,它们一般能接受start、stop、restart、status等参数。 z m+3aF  
:H>0/^Mg0  
  /etc/rc.d/rc5.d/中的rc启动脚本通常是K或S开头的链接文件,对于以以S开头的启动脚本,将以start参数来运行。而如果发现存在相应的脚本也存在K打头的链接,而且已经处于运行态了(以/var/lock/subsys/下的文件作为标志),则将首先以stop为参数停止这些已经启动了的守护进程,然后再重新运行。这样做是为了保证是当init改变运行级别时,所有相关的守护进程都将重启。 "~L$oji  
6@FGt3y  
  至于在每个运行级中将运行哪些守护进程,用户可以通过chkconfig或setup中的"System Services"来自行设定。常见的守护进程有: #3_ @aq*  
_kdt0Vr,L  
  amd:自动安装NFS守护进程 iJS7g  
  apmd:高级电源管理守护进程 LvNulMEK  
  arpwatch:记录日志并构建一个在LAN接口上看到的以太网地址和IP地址对数据库 C/MQY:X4  
  autofs:自动安装管理进程automount,与NFS相关,依赖于NIS HNd? '  
  crond:Linux下的计划任务的守护进程 Z u/w>  
  named:DNS服务器 r0q?e`nsA  
  netfs:安装NFS、Samba和NetWare网络文件系统 Rw)=<XV)6  
  network:激活已配置网络接口的脚本程序 }z5u^_-m  
  nfs:打开NFS服务 7sU,<Z/D  
  portmap:RPC portmap管理器,它管理基于RPC服务的连接 A=r8_.@2@  
  sendmail:邮件服务器sendmail \k5 sdHmI[  
  smb:Samba文件共享/打印服务 Hz j%G>  
  syslog:一个让系统引导时起动syslog和klogd系统日志守候进程的脚本 vF)eo"_s*  
  xfs:X Window字型服务器,为本地和远程X服务器提供字型集 h !?rk|  
  Xinetd:支持多种网络服务的核心守护进程,可以管理wuftp、sshd、telnet等服务 Bo8NY!  
+asO4'r  
  这些守护进程也启动完成了,rc程序也就执行完了,然后又将返回init继续下一步。 W0<2*7s  
[DvQk?,t  
第五部分:建立终端 ANTWWs}  
v^B2etiX_  
p3 V?n[/}  
 %e(DPX  
  rc执行完毕后,返回init。这时基本系统环境已经设置好了,各种守护进程也已经启动了。init接下来会打开6个终端,以便用户登录系统。通过按Alt+Fn(n对应1-6)可以在这6个终端中切换。在inittab中的以下6行就是定义了6个终端: U#|6n ,  
B7PdavO#  
  1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1 US\h,J\Ju  
  2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2 K94bM5O 1  
  3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3 ij?Ww'p9>  
  4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4 v1p^=" IHI  
  5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5 "b) hj?  
  6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6 3~?m?vj|Y  
OR}+) n{  
  从上面可以看出在2、3、4、5的运行级别中都将以respawn方式运行mingetty程序,mingetty程序能打开终端、设置模式。同时它会显示一个文本登录界面,这个界面就是我们经常看到的登录界面,在这个登录界面中会提示用户输入用户名,而用户输入的用户将作为参数传给login程序来验证用户的身份。 bu{dT8g'U  
V=<AI.Z:w  
  第六部分:登录系统,启动完成 g]E3+:5dk  
 F |aLF{  
  对于运行级别为5的图形方式用户来说,他们的登录是通过一个图形化的登录界面。登录成功后可以直接进入KDE、Gnome等窗口管理器。而本文主要讲的还是文本方式登录的情况: gv1y%(`|n(  
FM7`q7d  
  当我们看到mingetty的登录界面时,我们就可以输入用户名和密码来登录系统了。 /!fJ`pu!  
Ey% KbvNv  
  Linux的账号验证程序是login,login会接收mingetty传来的用户名作为用户名参数。然后login会对用户名进行分析:如果用户名不是root,且存在/etc/nologin文件,login将输出nologin文件的内容,然后退出。这通常用来系统维护时防止非root用户登录。只有/etc/securetty中登记了的终端才允许root用户登录,如果不存在这个文件,则root可以在任何终端上登录。/etc/usertty文件用于对用户作出附加访问限制,如果不存在这个文件,则没有其他限制。 nH B  
Zgo%Jo  
  在分析完用户名后,login将搜索/etc/passwd以及/etc/shadow来验证密码以及设置账户的其它信息,比如:主目录是什么、使用何种shell。如果没有指定主目录,将默认为根目录;如果没有指定shell,将默认为/bin/bash。 y-{?0mLq  
?in)kL  
  login程序成功后,会向对应的终端在输出最近一次登录的信息(在/var/log/lastlog中有记录),并检查用户是否有新邮件(在/usr/spool/mail/的对应用户名目录下)。然后开始设置各种环境变量:对于bash来说,系统首先寻找/etc/profile脚本文件,并执行它;然后如果用户的主目录中存在.bash_profile文件,就执行它,在这些文件中又可能调用了其它配置文件,所有的配置文件执行后后,各种环境变量也设好了,这时会出现大家熟悉的命令行提示符,到此整个启动过程就结束了。 h4Xz"i{z  
PJ\k|  
  希望通过上面对Linux启动过程的剖析能帮助那些想深入学习Linux用户建立一个相关Linux启动过程的清晰概念,进而可以进一步研究Linux接下来是如何工作的。
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只看该作者 1 发表于: 2007-01-06
看看 呵呵 学习学习~
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只看该作者 2 发表于: 2007-01-06
昨天刚弄得LINUX的flash视频教程呵呵~
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只看该作者 3 发表于: 2007-01-08
最近 ubuntu 很火 呵呵
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只看该作者 4 发表于: 2007-01-08
恩 linux的发行版 呵呵
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只看该作者 5 发表于: 2007-01-08
呵呵 正在下载EJB教程~~
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只看该作者 6 发表于: 2007-12-30
ubuntu都用了这么久了 呵呵 q;UGiB^(A  
蛮好的 基本上可以抛弃win了 |* ^LsuFb  
到红联不下点东西吧  绝对比你下的视频好而且实用
色狼的最高境界是专一,滥情是菜鸟无能的表现。
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