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。
_i}b]xfM V!+iq*Z|= 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:
}[;ZZm? eO <N/?t 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。
iR nj N IQ@9S Q-'j131[ ywAvqT, 下面就将逐一介绍其中几个关键的部分:
@W>@6E U
L
$! 7K\v= "00j]e. 第一部分:内核的引导(核内引导)
d\JaYizp xrPZy*Y, Red Hat9.0可以使用lilo或grub等引导程序开始引导Linux系统,当引导程序成功完成引导任务后,Linux从它们手中接管了CPU的控制权,然后CPU就开始执行Linux的核心映象代码,开始了Linux启动过程。这里使用了几个汇编程序来引导Linux,这一步泛及到Linux源代码树中的“arch/i386/boot”下的这几个文件:bootsect.S、setup.S、video.S等。
YWK0.F,8a fA6IW(_bi 其中bootsect.S是生成引导扇区的汇编源码,它完成加载动作后直接跳转到setup.S的程序入口。setup.S的主要功能就是将系统参数(包括内存、磁盘等,由BIOS返回)拷贝到特别内存中,以便以后这些参数被保护模式下的代码来读取。此外,setup.S还将video.S中的代码包含进来,检测和设置显示器和显示模式。最后,setup.S将系统转换到保护模式,并跳转到 0x100000。
/AD&z?My+E %NrH\v{7Q 那么0x100000这个内存地址中存放的是什么代码?而这些代码又是从何而来的呢?
E:x@O8F no3yzF3Hi 0x100000这个内存地址存放的是解压后的内核,因为Red Hat提供的内核包含了众多驱动和功能而显得比较大,所以在内核编译中使用了“makebzImage”方式,从而生成压缩过的内核,在RedHat中内核常常被命名为vmlinuz,在Linux的最初引导过程中,是通过"arch/i386/boot/compressed/"中的head.S利用misc.c中定义的decompress_kernel()函数,将内核vmlinuz解压到0x100000的。
X\h.@+f= fWmc$r5n]( 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。
JB~^J5#[Oh + +}!Gfc?s 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。
* @4@eQF ayA;6Qt 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。
9r].rzf9 _u[tv, 第二部分:运行init
lg aSIXDK HDHG~<s jw:z2:0~ rkjnw@x\ 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):
7#R)+ uvbVb"\"Yk #
mH$tG
$ # inittab This file describes how the INIT process should set up
(SyD)G\rj # the system in a certain run-level.
y(J~:"}7) #
=~+ WJN # Author: Miquel van Smoorenburg, <
miquels@drinkel.nl.mugnet.org>
e_=K0fFz # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
tP@NQCo #
`j>5W<5q\ GOc
# Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
I_r@Y:5{ # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
<gF]9%2E # 1 - Single user mode
l
r&7 qu # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
<l<O2 l # 3 - Full multiuser mode
qdix@@ # 4 - unused
0SI@`C*1o # 5 - X11
1,fR kQ
# 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
-!PJHCLd #
,.<mj !YE ###表示当前缺省运行级别为5(initdefault);
XRV]u|w=g id:5:initdefault:
X<%D@$ )=5&Q ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
>&(#p@# # System initialization.
:*Wq%Y=
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
7zG
r+Px 3k1e l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
o!tC{"g l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
`;UWq{" l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
fp [gKRSF l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
bT,_=7F l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
2o SM| ###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)
g7zl5^o3j l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
t<v.rb l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
;U(]#pW!t ,?8a3% ###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
0
P YYG # Trap CTRL-ALT-DELETE
Cu+p!hV ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
\*t\=4 b=EI?XwJ # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes
Y(Qb)>K # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
.+9*5 # This does, of course, assume you have powerd installed and your
x Q"uC!Gu4 # UPS connected and working correctly.
Jq0sZ0j pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
GKoYT{6 ]'pfw9"f~ # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
p(RF
pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
$+WXM$N ?^~ZsOd8B
###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,
0cmd +` ###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)
jemb/:E # Run gettys in standard runlevels
Nw. )O 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
={BC0, 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
)|=1;L 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
&oG>Rqkm 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
('7?"npd 5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
v`oilsrc 6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
`/WxEu3 "_UnN}Uk ###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)
:P-H8*n"" # Run xdm in runlevel 5
3Ws (],Q x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon
r%;|gIky G
`|7NL 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:
;>7~@
K 5J`w8[; Q9cSrU[$ 4S42h_9 id:runlevel:action:process
]2-Qj)mZ] W<q<}RSn 对上面各项的详细解释如下:
807+|Ol[ ;SXkPs3q 1. id
S5JMt;O ;jgf,fbM 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。
c%5P|R~g]p c7+6[y DVE 2. runlevel
o135Xh$_>' _!2lnJ4+5 runlevel是init所处于的运行级别的标识,一般使用0-6以及S或s。0、1、6运行级别被系统保留:其中0作为shutdown动作,1作为重启至单用户模式,6为重启;S和s意义相同,表示单用户模式,且无需inittab文件,因此也不在inittab中出现,实际上,进入单用户模式时,init直接在控制台(/dev/console)上运行/sbin/sulogin。在一般的系统实现中,都使用了2、3、4、5几个级别,在Redhat系统中,2表示无NFS支持的多用户模式,3表示完全多用户模式(也是最常用的级别),4保留给用户自定义,5表示XDM图形登录方式。7-9级别也是可以使用的,传统的Unix系统没有定义这几个级别。runlevel可以是并列的多个值,以匹配多个运行级别,对大多数action来说,仅当runlevel与当前运行级别匹配成功才会执行。
>4ex5 UovN"8W+ 3. action
N%Bl+7,q !Mw/j`* action是描述其后的process的运行方式的。action可取的值包括:initdefault、sysinit、boot、bootwait等:
3fLdceT iU+SXsXLR4 initdefault是一个特殊的action值,用于标识缺省的启动级别;当init由核心激活以后,它将读取inittab中的initdefault项,取得其中的runlevel,并作为当前的运行级别。如果没有inittab文件,或者其中没有initdefault项,init将在控制台上请求输入runlevel。
Gw)y<h 6`2i'flv sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel。
5%D`y| O\7x+^. 其余的action(不含initdefault)都与某个runlevel相关。各个action的定义在inittab的man手册中有详细的描述。
6c+29@ \r aP 4. process
8@vq.z} K cex%. process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。
~d&&\EZ iAe"oXK| 第三部分:系统初始化
HCr}|DxyK ty!DMg# 在init的配置文件中有这么一行:
r7VBz_Q ExS&fUn`C si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
6MOwn*%5k Sy?^+JdM/ 它调用执行了/etc/rc.d/rc.sysinit,而rc.sysinit是一个bash shell的脚本,它主要是完成一些系统初始化的工作,rc.sysinit是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。它主要完成的工作有:激活交换分区,检查磁盘,加载硬件模块以及其它一些需要优先执行任务。
iOm&(2/ "u^2!d rc.sysinit约有850多行,但是每个单一的功能还是比较简单,而且带有注释,建议有兴趣的用户可以自行阅读自己机器上的该文件,以了解系统初始化所详细情况。由于此文件较长,所以不在本文中列出来,也不做具体的介绍。
7VfXE/ +;!^aNJ, 当rc.sysinit程序执行完毕后,将返回init继续下一步。
o?O ZsA fV9+FOZn 第四部分:启动对应运行级别的守护进程
euY+jc% %^W(sB$b ]l }v E_&;.hw 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:
W\Il@Je; ,h5 FX^ l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
1V5N)ty KdiJ'K. 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。
mr[ 1F]G #U'}g * /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。
)cgNf]oy e8SAjl"} 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:
ZLaht(`+ W SvhC amd:自动安装NFS守护进程
k FRVW+ apmd:高级电源管理守护进程
@ #J2t# 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
S]E|a@kD3 autofs:自动安装管理进程automount,与NFS相关,依赖于NIS
uj}%S_9 crond:Linux下的计划任务的守护进程
XwIHIG} named:DNS服务器
l [ m_<1L netfs:安装NFS、Samba和NetWare网络文件系统
='I2&I,) network:激活已配置网络接口的脚本程序
g:^Hex?Yfd nfs:打开NFS服务
M$v\7vBgO! portmap:RPC portmap管理器,它管理基于RPC服务的连接
oeVI 6-_S sendmail:邮件服务器sendmail
H5vg s2R smb:Samba文件共享/打印服务
9-#=xE9'U 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
5!i\S[: xfs:X Window字型服务器,为本地和远程X服务器提供字型集
CC6]AM(i 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
ZdhA:}~^E , Sf:R4= 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。
Ayw {I#" 4d`f?8vS 第五部分:建立终端
(=%0x"' aB&a#^5CI rJ4A9d3: n Fwg pT 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:
o|KmKC n> [*vR&