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。
BPkMw'a: i%133in 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:
<T7@,_T "#wAGlH6> 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。
x}a?B {@KLN< :gRrM)n E~q3o* 下面就将逐一介绍其中几个关键的部分:
eJqx,W5MK] FiQ&g*=| Y_*KAr'{P 7vgRNzZoq 第一部分:内核的引导(核内引导)
s8(Z&pQ |u`YT;`!"- 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。
d
>L8SL 27gHgz}} 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。
%pg)*>P h #p=+RTZ< 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?
W\<OCD%X kN 2mPD/ 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。
W9gQho%9b KUX6n(u 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。
K'8o'S_bF %zc.b 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。
o$bQ-_B` <2j$P Y9 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。
;xTMOuI* 1;./e&%% 第二部分:运行init
T\zn&6 )+G0m,n >.39OQ# c5f57Z 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):
=WCE "X SN[yC #
MeV4s%*O+ # inittab This file describes how the INIT process should set up
x?6^EB|@ # the system in a certain run-level.
,-d2wzhW #
BB,-HhYT0 # Author: Miquel van Smoorenburg, <
miquels@drinkel.nl.mugnet.org>
GXx'"SK9 # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
(
K-7z #
pkIQ,W{Ke WZA1nzRc # Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
[PrJf"Z " # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
ZWFOC,)b # 1 - Single user mode
~Gg19x.#uW # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
fiAj#mX # 3 - Full multiuser mode
kad$Fp39 # 4 - unused
]~m=b`o # 5 - X11
BH^cR<<j # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
A?ESjMy(R #
}D~m%%, ###表示当前缺省运行级别为5(initdefault);
iee`Yg!EOH id:5:initdefault:
}
F*=+n F
j"]C.6B. ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
2JHF*zvO- # System initialization.
gcM(K.n si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
FP6JfI8 .}tpEvAw} l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
n 8| l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
[/cJc%{N l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
e $5s],,n l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
n*=Tm
KQ l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
z\IZ5' ###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)
/3`fO^39Ta l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
{2&MyxV l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
6:TA8w| SMm$4h R ###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
`O,"mm^@U # Trap CTRL-ALT-DELETE
oA
]F`N= ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
41XXL$ M<)Vtn # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes
ubi6= # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
6<Zk%[7t # This does, of course, assume you have powerd installed and your
@v\jL+B+m # UPS connected and working correctly.
=~j S pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
"CT`]:GGK /%^^hr # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
|fWR[\NU pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
cT^x^% =$%_asQJ ###在2、3、4、5级别上以ttyX为参数执行/sbin/mingetty程序,打开ttyX终端用于用户登录,
FE?^}VH ###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)
+?[iB"F # Run gettys in standard runlevels
[%7oq;^J 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
ZP7wS 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
x@"`KiEUs 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
V^p XbDRl 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
cU=/X{&Om 5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
2W`<P2IA 6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
:sb+jk IQ}YF]I; ###在5级别上运行xdm程序,提供xdm图形方式登录界面,并在退出时重新执行(respawn)
Z|Xv_Xo|4 # Run xdm in runlevel 5
+QFY.>KH x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon
Q\v^3u2;m` e/u(Re 以上面的inittab文件为例,来说明一下inittab的格式。其中以#开始的行是注释行,除了注释行之外,每一行都有以下格式:
2Y{r2m|o QW"BGg~6c 5},kXXN{+ sr,8Qd0M id:runlevel:action:process
#kDJ>r |&- oQ8If$a} 对上面各项的详细解释如下:
Ra?0jcSQ$ O0#9D'{ 1. id
BnLE+X .1& F p 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。
'uA$$~1 k7Z1Y!n7 2. runlevel
p^QB^HEV 'gwh:8Xc 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。
.9;wJ9Bw[ #EdsB 3. action
7Cj6Kw5k r6eApKZ>f6 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:
VjVL/SO/ WKPuIE: 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。
X>y6-%@ -%x9^oQwY sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel。
BAS3&f A &-0eWwMW 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。
#/Qe7:l 7 V+rQ 4. process
v'zf*]9 j;']L}R process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。
cU'^
Ja?% PH}^RR{H[ 第三部分:系统初始化
$w$4RQk3n WSW,}tFp" 在init的配置文件中有这么一行:
7o]p0iLej &<sN(;%0R si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
z2lEHa?w u*$ 1e 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。
-Fj:^q:@u -]h3s
>t 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。
a~F`{(Q2 <v)Ai;l, 当rc.sysinit程序执行完毕后,将返回init继续下一步。
e/<Og\}P/ :A{ US9D 第四部分:启动对应运行级别的守护进程
:!f1|h "K8<X vK?{Z^J][ zF[>K4 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:
3Yd)Fm _YH)E^If l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
FFNv'\) rtz%(4aS 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。
@"m?
# ega< {t /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。
r$*p <,Zk9 t& 至于在每个运行级中将运行哪些守护进程,用户可以通过chkconfig或setup中的"System Services"来自行设定。常见的守护进程有:
,&sBa{0 "yI)F~A amd:自动安装NFS守护进程
zA![c l>$ apmd:高级电源管理守护进程
,zLi{a6 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
@,-xaZ[ autofs:自动安装管理进程automount,与NFS相关,依赖于NIS
Iky'x[p,D crond:Linux下的计划任务的守护进程
hNV"{V3`{ named:DNS服务器
^zv28Wq> netfs:安装NFS、Samba和NetWare网络文件系统
[Uezi1I network:激活已配置网络接口的脚本程序
dOFxzk,g&R nfs:打开NFS服务
b
"4W`
A portmap:RPC portmap管理器,它管理基于RPC服务的连接
P(W7,GD,k sendmail:邮件服务器sendmail
bQ=R, smb:Samba文件共享/打印服务
*fq=["O 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
MdWT[ xfs:X Window字型服务器,为本地和远程X服务器提供字型集
~h;c3#wuc 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
_wg6}3 1x]U&{do 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。
oUm"qt_ &Q^M[X 第五部分:建立终端
?Ee HeN_ NwmO[pt+ H;<hmbN?d <BQ4x.[ 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:
gJ>?<F; Pb.-Z@ 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
KX9+*YY, 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
0 )#5_-% 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
MOyQ4<_ 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
Ku_`F2Q 5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
xv9Z~JwH 6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
a Kb2:1EQ 4.7ePbk[E 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。
S@zsPzw fAf sKO* 第六部分:登录系统,启动完成
`I<*R0Qe z@$7T:H> 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:
jGEUl=W
l?B\TA^ 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。
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1|[}nYP 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。
$CO^dFf 9S.Uo[YY 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。
RNiZ2: G7`7e@{ 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。
[,-MC7>] Tm@mk 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。