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。
'.*`PN5mDq |* B9{/;4 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:
WSqo\] }ws(:I^ 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。
@y8)
"m"
JnPwqIF1 F4$9r^21r K$c?:?wmo 下面就将逐一介绍其中几个关键的部分:
,:xses*7 A`nzqe#(1 u?SxaGEa =)f5JwZPG 第一部分:内核的引导(核内引导)
#Q/xQ`+|. yX%NFXD 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。
Oid;s!-S 6 O
#5`mo 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。
r#NR3_@9 ~(}nd 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?
G]T&{3g-. l*b0uF 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。
IHwoG(A~< q0KGI/5s4+ 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。
F7\nG}#s #D^(dz* 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。
lyw)4;wt\ gg@Ew4L& 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。
8=-#LVo~c " nLWvV1 第二部分:运行init
SI/3Dz[ E=]$nE]b Dop,_94G 5`)[FCQ init的进程号是1,从这一点就能看出,init进程是系统所有进程的起点,Linux在完成核内引导以后,就开始运行init程序,。init程序需要读取配置文件/etc/inittab。inittab是一个不可执行的文本文件,它有若干行指令所组成。在Redhat系统中,inittab的内容如下所示(以“###"开始的中注释为笔者增加的):
<q:2' 4o 8TCbEPS@Q #
ZM_-g4[H # inittab This file describes how the INIT process should set up
;R7+6 # the system in a certain run-level.
UcWf
O!}D #
^&\<[\ # Author: Miquel van Smoorenburg, <
miquels@drinkel.nl.mugnet.org>
8Ud.}<
Zi # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
Q1RUmIe_& #
KouIzWf. H](TSt<Q" # Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
s]Z++Lh<{ # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
V(M7d>N5G # 1 - Single user mode
&IP`j~b # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
3bagL)'iz # 3 - Full multiuser mode
qRCUkw} fs # 4 - unused
YLp#z8 1e # 5 - X11
I@ D<rjR # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
3XhLn/@ #
V3$zlzSm, ###表示当前缺省运行级别为5(initdefault);
~Gh9m]b id:5:initdefault:
,e{1l WD|pG;Gq ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
*~^M_wej # System initialization.
wp<f{^ et si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
y<m}dW6[\ /J!~0~F l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
{4r } jH l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
OQ+kOE& l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
lh-zE5; l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
nQ;M@k&9eV l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
ZmS
]4WM< ###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)
bq z*90 l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
K
Vnz{cx` l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
-;o0)DwZ -932[+ ###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
; g\rY # Trap CTRL-ALT-DELETE
{i)FDdDGD ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
^t P|8k })C}'!+] # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes
=~'y' K] # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
}8Nr.gY # This does, of course, assume you have powerd installed and your
@+Anp4%;Y # UPS connected and working correctly.
@!B%ynrG pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
h%] D[g BrsBB"<o,
# If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
oT9qd@uQ0: pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
m'U>=<!D )|
F O> ###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,
A[H"(E#k ###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)
@VnK/5opS # Run gettys in standard runlevels
rhC
x&L 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
2[1lwV 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
35Fs/Gf-n 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
>+Y@rj2 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
RC^k#+ 5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
yK w.69. 6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
vgN%vw pL ]QKKtvN ###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)
^`f qK4< # Run xdm in runlevel 5
~\u?Nf~L x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon
CUx[LZR7m -|GX]jx(Y 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:
m5lTf P"r7m AizLzR$OG 5)i+x- id:runlevel:action:process
qTV.DCP QoS]QY'bZ 对上面各项的详细解释如下:
,j%feC3 tw&biLM5T 1. id
:)kWQQ+, x*wr8$@J 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。
.Kssc lSD1 838@jip 2. runlevel
#4F0o@Z ]EEac 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。
5c1{[ \8]("l}ms8 3. action
+[Q`I*C ML7qrc;Rx 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:
d8VFa'| iM~qSRb#mJ 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。
8xYeaK E]ZIm sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel。
7%i6zP/a 8)="Ee 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。
Cf3<;Mp< -o YJ&r 4. process
9O-*iK Rzxkz process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。
@Wd1+Yky =HHb ]JE 第三部分:系统初始化
}XfRKGQw Fr1OzS^&( 在init的配置文件中有这么一行:
gk4DoO j#P 6bUcrw/#
p si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
:CG;:( | 43N=OFU 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。
kV$VKag*A DhT8Kh{ rc.sysinit约有850多行,但是每个单一的功能还是比较简单,而且带有注释,建议有兴趣的用户可以自行阅读自己机器上的该文件,以了解系统初始化所详细情况。由于此文件较长,所以不在本文中列出来,也不做具体的介绍。
-{Fy@$! #z9@x}p5g 当rc.sysinit程序执行完毕后,将返回init继续下一步。
1V;,ZGI* ]9~6lx3/ 第四部分:启动对应运行级别的守护进程
^2uT!<2 %RXFgm!{f @WP%kX.? 92M_Z1_w[ 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:
v.Xmrry wZ/b;%I! l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
[#/@v/`
qIk(ei 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。
iH)-8Q 1p(9hVA /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。
n@9R|biO z`Xc] cPi 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:
XVYj
X @O)1Hnm amd:自动安装NFS守护进程
TFtD>q X apmd:高级电源管理守护进程
R^Y_i 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
|4F'Zu}g> autofs:自动安装管理进程automount,与NFS相关,依赖于NIS
,zh4oX`> crond:Linux下的计划任务的守护进程
3|0OW
Jk named:DNS服务器
}N@+bNh~ netfs:安装NFS、Samba和NetWare网络文件系统
}Pj;9ivz network:激活已配置网络接口的脚本程序
&Tk@2<5= nfs:打开NFS服务
@!%HEs!# # portmap:RPC portmap管理器,它管理基于RPC服务的连接
h
F *c sendmail:邮件服务器sendmail
A'T: \Wl smb:Samba文件共享/打印服务
en29<#8TO 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
{r1}ACw{ xfs:X Window字型服务器,为本地和远程X服务器提供字型集
UKf0cU 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
Ia-nA|LBxI z&Lcl{<MA 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。
>{k0N@_ F"t.ND 第五部分:建立终端
k4YW;6<C+ -qJO6OM Il$Jj-) 8Oo16LPD rc执行完毕后,返回init。这时基本系统环境已经设置好了,各种守护进程也已经启动了。init接下来会打开6个终端,以便用户登录系统。通过按Alt+Fn(n对应1-6)可以在这6个终端中切换。在inittab中的以下6行就是定义了6个终端:
^q/_D%]C N6!$V7oT 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
}RZN3U= 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
W.TdhJW9 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
"sUmk e-# 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
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