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。
r"h09suZBW @<pd@Mpf] 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:
W,Q>3y* RMT9tXe*5 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。
7sOAaWx rA B=H*|6 wbKJ:eWgt [7gz?9VyLF 下面就将逐一介绍其中几个关键的部分:
Xn%7{%;h Ao` e{ C=q&S6/+ %M'`K 第一部分:内核的引导(核内引导)
wzwv>@} a6./;OC 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。
Ib{l$# ?&eS }skL 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。
0[%{YmI{W Ua
6O~,\ 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?
OEjX(F3= #@`c7SR 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。
Ea<\a1Tl43 9=]HOUn 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。
[qRww]g;P| =0Y0o_ 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。
UR_Ty59 `Kf@<= 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。
^"
g?m &`n:AR` 第二部分:运行init
z8}QXXa \9#f:8Q 9v*y&V9/ JluA?B7E 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):
>W-xDzJry 3I( n]; #
EHn!ZrQgh # inittab This file describes how the INIT process should set up
p qpsa' # the system in a certain run-level.
?#: ']q #
*f;$5B#^ # Author: Miquel van Smoorenburg, <
miquels@drinkel.nl.mugnet.org>
Lv/}&'\( # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
u;rmqo1 #
RS}_cm0 L3wj vq^ # Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
]oSx]R>{f # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
YQd($ # 1 - Single user mode
fcF| m5 # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
NJr)f # 3 - Full multiuser mode
S>(x x"Ia # 4 - unused
FO^6c # 5 - X11
Ayqs~&{ # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
uIO,9> ee #
[j@i^B & ###表示当前缺省运行级别为5(initdefault);
Wc+(xk id:5:initdefault:
|&WYu,QQ4 O]hUOc`k ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
M$ieM[_T # System initialization.
~b)X:ku si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
>m1b/J3# "A~dt5GJ l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
FO_}9 <s l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
z5iCQ4C< l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
lN5PKsGl l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
i7h^L)M l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
sB*dv06b0 ###当运行级别为5时,以5为参数运行/etc/rc.d/rc脚本,init将等待其返回(wait)
R-Lpgi<a" l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
p7`9
d1n l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
_/>I-\xWA >@bU8}rT ###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
+<xQF # Trap CTRL-ALT-DELETE
@"fv[=Xb ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
]6`K JC~sz^>p\ # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes
!]uB4 # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
_^b\#Jz4U3 # This does, of course, assume you have powerd installed and your
]O:8o<0 # UPS connected and working correctly.
z-We>KX pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
]Bf1p >E4,zs@7t # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
|iBf6smF pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
CT|0KB& [O_5`X9| ###在2、3、4、5级别上以ttyX为参数执行/sbin/mingetty程序,打开ttyX终端用于用户登录,
wAi7jCY%OY ###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)
ATc!c + # Run gettys in standard runlevels
uQ[,^Ee&/ 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
420K6[ 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
}\8-&VoY#X 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
6o6yx: 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
fI0"#iv} 5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
|?0MRX0'g 6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
;7qzQ{Km 0H +nVR ###在5级别上运行xdm程序,提供xdm图形方式登录界面,并在退出时重新执行(respawn)
Rh"O$K~ # Run xdm in runlevel 5
_$IWr)8f x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon
2&:z[d}~H )3e_Hs+ 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:
@]~.-(IMh ;rL1[qwk ceks~[rP ~1*37 w~ id:runlevel:action:process
|*zgX]-+; #M w70@6 对上面各项的详细解释如下:
r]\[G6mE% JiXE {( 1. id
Fng -WyB2$!( 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。
Y+23 jlgb $RI$VyAjD 2. runlevel
sXPva@8_ 3A"TpR4f` 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。
Kzq^f=p ynMYf 3. action
OMjPC_ Zi}h\R a 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:
AtHkz|sl o?M ;f\Fy 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。
TeZu*c h2mHbe43 sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel。
4j'rbbs/ AdDR<IW 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。
5 8;OTDR! [N4N7yF 4. process
8o,0='U ;DZj.|Sj+ process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。
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