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。
_kdL'x /\w)>0 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:
)OLq_':^@ +,&O1ykY 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。
"ywh9cp C'!;J WH$e2[+Y HeK
h> 下面就将逐一介绍其中几个关键的部分:
=B ];?% e }*0ghKI p:OPw D+ qTB$`f'|$ 第一部分:内核的引导(核内引导)
`$YP<CJeq enTW0U} Red Hat9.0可以使用lilo或grub等引导程序开始引导Linux系统,当引导程序成功完成引导任务后,Linux从它们手中接管了CPU的控制权,然后CPU就开始执行Linux的核心映象代码,开始了Linux启动过程。这里使用了几个汇编程序来引导Linux,这一步泛及到Linux源代码树中的“arch/i386/boot”下的这几个文件:bootsect.S、setup.S、video.S等。
8$c bVMjh CAU0)=M 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。
G|m1.=DJm D&ve15wL 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?
#-Z8Z
i"44 #-"VS-.< 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。
]O`
{dnP ]{
d[ 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。
3^StIw{X {3Y )rY!z 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。
;&b%Se@#p '>k{tPi. 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。
g2R@`./S @-)tM.8~ 第二部分:运行init
phYDs9-K $ C0TD7= 5y}
v{Ijt :+%Zh@u\ 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):
D%7kBfCb d vOJW". #
f{lZKfrp # inittab This file describes how the INIT process should set up
oA
tsUF+a # the system in a certain run-level.
{S<>&?XB #
q+a.G2S # Author: Miquel van Smoorenburg, <
miquels@drinkel.nl.mugnet.org>
.A1\J@b # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
_J]2~b #
@ 2_<,;$ DXQi-+? # Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
=3 +l # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
O!Wd5Y # 1 - Single user mode
7@PIM5h # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
Sg]
J7;] # 3 - Full multiuser mode
X['2b78k # 4 - unused
3P <'F2o # 5 - X11
~ ~8rI[/ # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
y_}SK6{
#
uO >x:*^8 ###表示当前缺省运行级别为5(initdefault);
0+b0< id:5:initdefault:
}wSy q9dLHi<1 ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
l9/:FiJ_ # System initialization.
GIv){[i si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
yu
,h\ ~E=\t9r l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
m]IysyFFK l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
(Btv ClZ l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
,fnsE^}.U l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
4?/7
bc l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
'5};M)w ###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)
vN{-?
l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
WwW^[k (X l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
F*
#h9
Y GJ}.\EaAJ ###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
135vZ:S # Trap CTRL-ALT-DELETE
G5{Ot>;*% ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
$`vkw(;t)1 ?An,-N-ezf # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes
=p&sl;PsLw # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
el'j&I # This does, of course, assume you have powerd installed and your
H/+{e,SW" # UPS connected and working correctly.
C=VIT*= pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
MB*u-N0v W3LP
~ # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
NygI67 pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
{rPk3 bV3lE6z ###在2、3、4、5级别上以ttyX为参数执行/sbin/mingetty程序,打开ttyX终端用于用户登录,
ARx0zI%N ###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)
)o8g=7Jm # Run gettys in standard runlevels
_
K/swT{f 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
)&.!3y 660 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
3
Lje<KzL 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
?mOg@) wx 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
Yg6If7& 5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
3cu9[~K 6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
h#{T}[ m4gU*? ###在5级别上运行xdm程序,提供xdm图形方式登录界面,并在退出时重新执行(respawn)
<F=Dj*] # Run xdm in runlevel 5
/S/aUvN x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon
6;JP76PD 5.k}{{+ 以上面的inittab文件为例,来说明一下inittab的格式。其中以#开始的行是注释行,除了注释行之外,每一行都有以下格式:
VD#!ztcY' \Hs|$ Dq`~XS* y[:q"BB3 id:runlevel:action:process
GEtbs+ [ l7Lj[d<n 对上面各项的详细解释如下:
_>v0R' _j 5N=I{U 1. id
_[1^s$ h]P/KVqR. 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。
=xBT>h; Xb+3Xn0}&8 2. runlevel
a*Jn#Mx<M q5?L1 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。
K_##-6> i>"dBJh]b 3. action
O3+)qb!X <~O}6HQ# 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:
)]A9~H M*H<
n* 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。
gV.f*E1C 1$OVe4H1 sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel。
IM$0#2\ wDZ 其余的action(不含initdefault)都与某个runlevel相关。各个action的定义在inittab的man手册中有详细的描述。
G)~MbesJ #|ddyCg2 4. process
mo*'"/ d|3o/@k process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。
@% H8"A v D&Kae< 第三部分:系统初始化
YnD#p[Wo^ S" {GlRpd 在init的配置文件中有这么一行:
H1C%o0CPY yP%o0n/"x si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
enPLaiJ'|q
Lxz 它调用执行了/etc/rc.d/rc.sysinit,而rc.sysinit是一个bash shell的脚本,它主要是完成一些系统初始化的工作,rc.sysinit是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。它主要完成的工作有:激活交换分区,检查磁盘,加载硬件模块以及其它一些需要优先执行任务。
,{pGP# WzlS^bZ rc.sysinit约有850多行,但是每个单一的功能还是比较简单,而且带有注释,建议有兴趣的用户可以自行阅读自己机器上的该文件,以了解系统初始化所详细情况。由于此文件较长,所以不在本文中列出来,也不做具体的介绍。
Db,= 2e &
L3UlL 当rc.sysinit程序执行完毕后,将返回init继续下一步。
:Dt\:`(r' &8wa ih(| 第四部分:启动对应运行级别的守护进程
mHHzCKE , M`bL5J; y 3IA ' \.kTe<.:_ 在rc.sysinit执行后,将返回init继续其它的动作,通常接下来会执行到/etc/rc.d/rc程序。以运行级别3为例,init将执行配置文件inittab中的以下这行:
}R`Irxv4 e"PMvQ l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
Yg$@ Wb6 u2\+?`Ox 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。
*[VEF 0FTRm2( /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。
{f&NStiB =p5?+3"@ 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:
u\:rY)V G{/; AK amd:自动安装NFS守护进程
~~U< apmd:高级电源管理守护进程
z;ULQ 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
M q76]I% autofs:自动安装管理进程automount,与NFS相关,依赖于NIS
qP qy4V.; crond:Linux下的计划任务的守护进程
>/8ru*Oc named:DNS服务器
@T5YsX]qb7 netfs:安装NFS、Samba和NetWare网络文件系统
L#`7 FaM? network:激活已配置网络接口的脚本程序
Is<x31R nfs:打开NFS服务
m;1'u;
portmap:RPC portmap管理器,它管理基于RPC服务的连接
m**0rpA sendmail:邮件服务器sendmail
BSOjyy1f smb:Samba文件共享/打印服务
|OOXh[y 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
~."!l'a xfs:X Window字型服务器,为本地和远程X服务器提供字型集
3Ca
\`m)l 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
Y+!Ouc!$ hx*HY%\P 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。
W)|c[Q\ aMBL1d7 第五部分:建立终端
P8"6"}B;T 1V-=$Q3
V7 7WgIhQ~ 5?Uo&e rc执行完毕后,返回init。这时基本系统环境已经设置好了,各种守护进程也已经启动了。init接下来会打开6个终端,以便用户登录系统。通过按Alt+Fn(n对应1-6)可以在这6个终端中切换。在inittab中的以下6行就是定义了6个终端:
3fm;r5 -)4uYK* 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
g[m3IJzq 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
<9ePi9D( 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
'$n:CNha 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
lr-12-D%- 5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
RP,A!pa@ 6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
?@3#c Tld1P69( 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。
zv$Gma_ VV?]U$ 第六部分:登录系统,启动完成
+fC#2%VnU V xp$#3 ;S 对于运行级别为5的图形方式用户来说,他们的登录是通过一个图形化的登录界面。登录成功后可以直接进入KDE、Gnome等窗口管理器。而本文主要讲的还是文本方式登录的情况:
FYp|oD2=1 #L_@s
d 当我们看到mingetty的登录界面时,我们就可以输入用户名和密码来登录系统了。
Fl B, (Cm 4kWg>F3 Linux的账号验证程序是login,login会接收mingetty传来的用户名作为用户名参数。然后login会对用户名进行分析:如果用户名不是root,且存在/etc/nologin文件,login将输出nologin文件的内容,然后退出。这通常用来系统维护时防止非root用户登录。只有/etc/securetty中登记了的终端才允许root用户登录,如果不存在这个文件,则root可以在任何终端上登录。/etc/usertty文件用于对用户作出附加访问限制,如果不存在这个文件,则没有其他限制。
<P|`7wfxE 's$A+8;L 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。
->#y(} )`B
-O:: 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。
_L?v6MTj Aqa6R+c 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。