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。
PN<C=gAe Ppt2A6W 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:
7kK #\dI ~+bGN 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。
#gaQaUjR G0{H5_h {}m PEd b U{$1[,f 下面就将逐一介绍其中几个关键的部分:
EVUq--)~ #D9e$E(J^ )T66<UDK| #nO|A\N 第一部分:内核的引导(核内引导)
d90Z,nex kR@Yl Yo 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。
7Irau_ o/
mF# 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。
:BukUket1e he -Ji 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?
+"}=d3E6 q4$+H{xB 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;D+ai F@!Td(r2 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。
qG/fE'(j& pdb1GDl0q 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。
CGP3qHrXt Bo+DJizu 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。
a7/-wk \WrFqm# 第二部分:运行init
C"qU-&*v H:JLAK W85@v2b Dbaf0 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):
ow;R$5G *P!e:Tm) #
3!o4)yJWx # inittab This file describes how the INIT process should set up
$RwB_F # the system in a certain run-level.
oi&Wo'DX #
&Q=ZwC7# # Author: Miquel van Smoorenburg, <
miquels@drinkel.nl.mugnet.org>
omf Rs # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
cZ+7.oDu #
yag}fQ(XH GOB(#vu # Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
4Kv[e]10( # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
F;!2(sPS # 1 - Single user mode
Q U
F$@)A # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
G02m/8g3 # 3 - Full multiuser mode
}o,z!_^PLQ # 4 - unused
+P`(Rf"luu # 5 - X11
+wk`;0s A # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
N_Af3R1_ #
^, i>'T ###表示当前缺省运行级别为5(initdefault);
F'?I-jtI id:5:initdefault:
;C/bJEgdd +~U=C9[gj ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
uH^PQ # System initialization.
Hv<'dt$| si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
5;TuVU.8Q x2#qg>`l l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
s&{Qdf l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
Lj%{y.Rj l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
q 'a l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
"?GebA l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
ZDYJhJ. ###当运行级别为5时,以5为参数运行/etc/rc.d/rc脚本,init将等待其返回(wait)
Zz |MIGHm l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
Bl1Z4` 3 l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
rn:!dV[ 8g7,2f/ } ###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
kK~IwA # Trap CTRL-ALT-DELETE
?vGffMm ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
5lJ)(|_ 1GE|Wd # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes
Q1&P@Io$ # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
+>g`m)?p # This does, of course, assume you have powerd installed and your
=KX<_;E # UPS connected and working correctly.
nxap\Lf pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
$
Cjk 3Gr&p6 # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
D0]a\,aZ pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
\H5Jk$* y466A]| ###在2、3、4、5级别上以ttyX为参数执行/sbin/mingetty程序,打开ttyX终端用于用户登录,
i(wgB\9i4 ###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)
dow^*{fqZ # Run gettys in standard runlevels
} i)$n(A)K 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
gglQU"=g{ 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
dj[apuiF 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
4*UP.r@ 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
:Px\qh}K 5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
oeL5}U6>g 6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
w3D]~&] ;ggy5?>Qu ###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)
x@cN3O # Run xdm in runlevel 5
K,}w]b x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon
~%|G+m> xQlT%X;' 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:
H.J5i~s
?&h3P8 =ziy`#fm, OalP1Gy id:runlevel:action:process
a~^Srj!}x =O{~Q3z@s 对上面各项的详细解释如下:
'CS.p!Z\ NyI;v= 1. id
c! H 9yk T"E( F 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。
02]xJo JF qf;3R 2. runlevel
"gNK>< <3 j~=- 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。
o;-<|W> }Pg'
vJW 3. action
CYB=Uq, Wc#:f8dr 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:
Ha ZFxh-( eZO9GMO 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。
s5Fr)q// ! FyEDt@J sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel。
%N~CvN@T VVrwOoCN 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。
e.6Dl_ `h;}3r#R{ 4. process
n2;9geq+ 6;uBZ&g process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。
5FuK \y ?'~;Q) 第三部分:系统初始化
1]/N2& ,p,Du
F 在init的配置文件中有这么一行:
U=o Z.\ a0zG(7.D si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
8g5V,3_6 gB CC 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。
{>.>7{7 S+*cbA{J| 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。
s%dF~DSK /.Wc_/ 当rc.sysinit程序执行完毕后,将返回init继续下一步。
uaQ&&5%%J =O^7TrM 第四部分:启动对应运行级别的守护进程
~{
.,8jE [w%#<5h W:ixzpQ pa]
TeH 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*x V;[ \FI^Vk l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
^~I @
spR4 X"J%R/f 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。
iE{Oit^aG `03<0L /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。
9c5!\m1 oBUh]sR{. 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:
&8Wlps` ]b\WaS8I amd:自动安装NFS守护进程
Rk[8Bd?
apmd:高级电源管理守护进程
iH _"W+dq 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
*7vue"I*Z autofs:自动安装管理进程automount,与NFS相关,依赖于NIS
Pw#2<> crond:Linux下的计划任务的守护进程
@dhH;gt.I named:DNS服务器
H5q:z=A netfs:安装NFS、Samba和NetWare网络文件系统
O&P>x#w network:激活已配置网络接口的脚本程序
:Ba-u nfs:打开NFS服务
GHrBK& portmap:RPC portmap管理器,它管理基于RPC服务的连接
jg^^\n sendmail:邮件服务器sendmail
mSj76'L# smb:Samba文件共享/打印服务
/lUk5g^j 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
/Y ^7Rl xfs:X Window字型服务器,为本地和远程X服务器提供字型集
c20|Cx2m 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
:A$wX$H01 >#i $Tw 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。
# 8qyg<F ?xHtn2(q 第五部分:建立终端
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