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[其他]剖析Linux系统启动过程

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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。 &5u BNpH  
b,dr+RB  
  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: QY@u}&m%o  
LM:)j:gS6  
  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。 I"1CgKYK^+  
XA1f' Kk  
J A`H@qE  
f&ytK  
下面就将逐一介绍其中几个关键的部分: =}v ;1m  
h* s`^W3  
:uo[&&c  
EKuSnlTXba  
  第一部分:内核的引导(核内引导)  %[`a  
3_W{T@T  
  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)#  
~:[!Uyp0b  
  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。 Seda}  
:a.0he s  
  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? $n-Af0tK  
0z`/Hn  
  0x100000这个内存地址存放的是解压后的内核,因为Red Hat提供的内核包含了众多驱动和功能而显得比较大,所以在内核编译中使用了“makebzImage”方式,从而生成压缩过的内核,在RedHat中内核常常被命名为vmlinuz,在Linux的最初引导过程中,是通过"arch/i386/boot/compressed/"中的head.S利用misc.c中定义的decompress_kernel()函数,将内核vmlinuz解压到0x100000的。 mb\h^cKaq  
txq~+'A:+  
  当CPU跳到0x100000时,将执行"arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32,它也是vmlinux的入口,然后就跳转到start_kernel()中去了。start_kernel()是"init/main.c"中的定义的函数,start_kernel()中调用了一系列初始化函数,以完成kernel本身的设置。start_kernel()函数中,做了大量的工作来建立基本的Linux核心环境。如果顺利执行完start_kernel(),则基本的Linux核心环境已经建立起来了。 G2]^F Y  
L/?]^!.  
  在start_kernel()的最后,通过调用init()函数,系统创建第一个核心线程,启动了init过程。而核心线程init()主要是来进行一些外设初始化的工作的,包括调用do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化。并完成文件系统初始化和root文件系统的安装。 3OP.12^  
<Ct_d Cc  
  当do_basic_setup()函数返回init(),init()又打开了/dev/console设备,重定向三个标准的输入输出文件stdin、stdout和stderr到控制台,最后,搜索文件系统中的init程序(或者由init=命令行参数指定的程序),并使用 execve()系统调用加载执行init程序。到此init()函数结束,内核的引导部分也到此结束了。 o.Oq__>$H  
!v9lk9SV  
第二部分:运行init )TU<:V  
h*Je35  
FXahZW~Ol  
Uoj i@  
  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): s<vs:jna  
+tt9R_S  
  # zA s&%OjG  
  # inittab This file describes how the INIT process should set up A59gIp*>  
  # the system in a certain run-level. MzzKJ;wbC6  
  # ^e%}[q[>|  
  # Author: Miquel van Smoorenburg, <miquels@drinkel.nl.mugnet.org> p@ygne 4  
  # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes r`6:Q&&  
  # 5& !'^!  
C>X|VP |C  
  # Default runlevel. The runlevels used by RHS are: *HE^1IEl  
  # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this) L8&D(wh/f  
  # 1 - Single user mode 8>NwCjN  
  # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking) !msNEE@[  
  # 3 - Full multiuser mode {%b }Z2  
  # 4 - unused ?n]FNjd  
  # 5 - X11 |~K(F <;j  
  # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this) oM,- VUr  
  # iW;i!,  
  ###表示当前缺省运行级别为5(initdefault); 5~+XZA#2  
  id:5:initdefault: NTmi 2c  
WUEHB  
  ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit) dMvp&M\\'  
  # System initialization. nY_?Jq  
  si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit VWi2(@R^  
OeElMRU"  
  l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0 !aNh!  
  l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1 m"d/b~q  
  l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2 i ]o"_=C  
  l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3 ?j{C*|yHO  
  l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4 OBOwz4<  
  ###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) T_;]fPajjD  
  l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5 WeMAe w/d  
  l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6 R7?29?$7  
|`O7nOM  
  ###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统 DBsDk kB{  
  # Trap CTRL-ALT-DELETE gfy19c 9  
  ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now j6g@tx^)'  
 8=;k"  
  # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes 'bu)M1OLi  
  # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now. OH6^GPF6  
  # This does, of course, assume you have powerd installed and your &@v<nO-  
  # UPS connected and working correctly. t'1Y@e  
  pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down" YF[f Z  
9V 0}d2d  
  # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it. N|:'XwL  
  pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled" 0CAa^Q^w  
qpp/8M  
  ###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, M\D]ml~  
  ###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn) bRo|uJ:d  
  # Run gettys in standard runlevels ?+2b(2&MXE  
  1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1 g(hOg~S\E  
  2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2 '#\1uXM1U?  
  3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3 'g)n1 {  
  4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4 U|@V 74  
  5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5 d=3'?l`  
  6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6 6GL=)0Ah  
T!2=*~A  
  ###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) T~xwo  
  # Run xdm in runlevel 5 q%/uQT?  
  x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon oxz{ ejd{  
r&3pM2Da}  
 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: r"{<%e  
,Zf 9RM  
o[\HOe~;  
_. V?A*  
  id:runlevel:action:process v;EQ, NL  
-db75=  
  对上面各项的详细解释如下: \3XqHf3|o  
^%>kO,  
  1. id X~9j$3lUBR  
=L-I-e97@  
  id是指入口标识符,它是一个字符串,对于getty或mingetty等其他login程序项,要求id与tty的编号相同,否则getty程序将不能正常工作。 {~Tg7<\L  
X/0v'N  
  2. runlevel 4QHS{tj  
,h]o>  
  runlevel是init所处于的运行级别的标识,一般使用0-6以及S或s。0、1、6运行级别被系统保留:其中0作为shutdown动作,1作为重启至单用户模式,6为重启;S和s意义相同,表示单用户模式,且无需inittab文件,因此也不在inittab中出现,实际上,进入单用户模式时,init直接在控制台(/dev/console)上运行/sbin/sulogin。在一般的系统实现中,都使用了2、3、4、5几个级别,在Redhat系统中,2表示无NFS支持的多用户模式,3表示完全多用户模式(也是最常用的级别),4保留给用户自定义,5表示XDM图形登录方式。7-9级别也是可以使用的,传统的Unix系统没有定义这几个级别。runlevel可以是并列的多个值,以匹配多个运行级别,对大多数action来说,仅当runlevel与当前运行级别匹配成功才会执行。 'UU\4M  
<skajQQ  
  3. action HMGB>  
Shr,#wwM`B  
  action是描述其后的process的运行方式的。action可取的值包括:initdefault、sysinit、boot、bootwait等: FnFb[I@eu  
G"SBYU  
  initdefault是一个特殊的action值,用于标识缺省的启动级别;当init由核心激活以后,它将读取inittab中的initdefault项,取得其中的runlevel,并作为当前的运行级别。如果没有inittab文件,或者其中没有initdefault项,init将在控制台上请求输入runlevel。 _D, ;MB&7  
NjuiD].  
  sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel。 R^#@lI~  
tt_o$D~kg  
  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。 SA"p\}"  
M8&}j  
  4. process MCTsi:V>+  
'lz "2@4{  
  process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。 0(TTw(;  
RFaSwf,5n  
  第三部分:系统初始化 f9u^R=Ff[  
iq$$+y,  
  在init的配置文件中有这么一行: i[jJafAcN  
XXZaKgsq  
  si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit U(>4s]O6  
,:Z^$  
  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。 *e>]~Z,  
oqd;6[%G  
  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。 _qwQ;!9  
;,h/   
  当rc.sysinit程序执行完毕后,将返回init继续下一步。 Kv&g5&N,  
YIRZ+H<Q  
第四部分:启动对应运行级别的守护进程 ~uWOdm-"[  
13k !'P  
!^oV #  
g|X;ahTT  
  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: friWW ^  
1c4/}3*  
  l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5 k%c{ETdE  
dUrElXbXd  
  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。 rqPo)AL  
d*8 $>GA  
  /etc/rc.d/rc5.d/中的rc启动脚本通常是K或S开头的链接文件,对于以以S开头的启动脚本,将以start参数来运行。而如果发现存在相应的脚本也存在K打头的链接,而且已经处于运行态了(以/var/lock/subsys/下的文件作为标志),则将首先以stop为参数停止这些已经启动了的守护进程,然后再重新运行。这样做是为了保证是当init改变运行级别时,所有相关的守护进程都将重启。 @$^bMIj@W  
DTRJ/ @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: o G*5f  
G3P &{.v  
  amd:自动安装NFS守护进程 6fo3:P*O  
  apmd:高级电源管理守护进程 "I6P=]|b  
  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 /*FH:T<V  
  autofs:自动安装管理进程automount,与NFS相关,依赖于NIS uA t V".  
  crond:Linux下的计划任务的守护进程 d[^KL;b?6  
  named:DNS服务器 z4%uN |V  
  netfs:安装NFS、Samba和NetWare网络文件系统 C$h<Wt=<  
  network:激活已配置网络接口的脚本程序 yOU(2"8p  
  nfs:打开NFS服务 2j JmE&)7,  
  portmap:RPC portmap管理器,它管理基于RPC服务的连接 s9;#!7ms  
  sendmail:邮件服务器sendmail tc ;'oMUP  
  smb:Samba文件共享/打印服务 Qj{8?lew  
  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 |~`as(@Ih  
  xfs:X Window字型服务器,为本地和远程X服务器提供字型集 +d}E&=p_  
  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 >^Q&nkB"B  
O|IG_RL]  
  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。 BF*kb2"GZ6  
$ i)bq6  
第五部分:建立终端 tsOrt3   
jdZ~z#`(!:  
!)"%),>}o  
RcG0 8p.)  
  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: ~)LH='|h\}  
E907fX[R~  
  1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1 Ix@&$!'k  
  2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2 >zsid:  
  3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3 /-_=nf}w  
  4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4 x5`br.b  
  5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5 H`bSYjgM!  
  6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6 K%<j=c  
:NHH Dl  
  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。 xJ^>pg8  
G@FI0\t  
  第六部分:登录系统,启动完成 oBQ#eW aY  
$E<Esf$  
  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: fqX"Lus `=  
y.5/?{GL  
  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。 00I}o%akO  
Ars687WB  
  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。 s4Sd>D 7  
KH)D 08  
  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。 Xp\/YJOibd  
OMhef,,H  
  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。 h^,8rd  
1wzqGmjmt  
  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。
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只看该作者 1 发表于: 2007-01-06
看看 呵呵 学习学习~
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只看该作者 2 发表于: 2007-01-06
昨天刚弄得LINUX的flash视频教程呵呵~
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只看该作者 3 发表于: 2007-01-08
最近 ubuntu 很火 呵呵
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只看该作者 4 发表于: 2007-01-08
恩 linux的发行版 呵呵
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只看该作者 5 发表于: 2007-01-08
呵呵 正在下载EJB教程~~
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只看该作者 6 发表于: 2007-12-30
ubuntu都用了这么久了 呵呵 /Q,{?';~  
蛮好的 基本上可以抛弃win了 uB!kM  
到红联不下点东西吧  绝对比你下的视频好而且实用
色狼的最高境界是专一,滥情是菜鸟无能的表现。
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