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。
oTfEX4 t { r5F#q 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:
+L X&1GX ok[R`99 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。
az19-QIcg c{&sf
y 9$Hgh7'hvs ql_aDoj 下面就将逐一介绍其中几个关键的部分:
`Y+p7*Qr2 eJ?SLMLY 9]kWM]B)o )DoY*'Cl 第一部分:内核的引导(核内引导)
t,RR\S QMkLAZ Red Hat9.0可以使用lilo或grub等引导程序开始引导Linux系统,当引导程序成功完成引导任务后,Linux从它们手中接管了CPU的控制权,然后CPU就开始执行Linux的核心映象代码,开始了Linux启动过程。这里使用了几个汇编程序来引导Linux,这一步泛及到Linux源代码树中的“arch/i386/boot”下的这几个文件:bootsect.S、setup.S、video.S等。
mWka!lT mk[=3!J 其中bootsect.S是生成引导扇区的汇编源码,它完成加载动作后直接跳转到setup.S的程序入口。setup.S的主要功能就是将系统参数(包括内存、磁盘等,由BIOS返回)拷贝到特别内存中,以便以后这些参数被保护模式下的代码来读取。此外,setup.S还将video.S中的代码包含进来,检测和设置显示器和显示模式。最后,setup.S将系统转换到保护模式,并跳转到 0x100000。
O0~[]3Y[= =I*"vwc? 那么0x100000这个内存地址中存放的是什么代码?而这些代码又是从何而来的呢?
_<5>
E ^mG-O 0x100000这个内存地址存放的是解压后的内核,因为Red Hat提供的内核包含了众多驱动和功能而显得比较大,所以在内核编译中使用了“makebzImage”方式,从而生成压缩过的内核,在RedHat中内核常常被命名为vmlinuz,在Linux的最初引导过程中,是通过"arch/i386/boot/compressed/"中的head.S利用misc.c中定义的decompress_kernel()函数,将内核vmlinuz解压到0x100000的。
2#|Q=rWB LR`/pet 当CPU跳到0x100000时,将执行"arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32,它也是vmlinux的入口,然后就跳转到start_kernel()中去了。start_kernel()是"init/main.c"中的定义的函数,start_kernel()中调用了一系列初始化函数,以完成kernel本身的设置。start_kernel()函数中,做了大量的工作来建立基本的Linux核心环境。如果顺利执行完start_kernel(),则基本的Linux核心环境已经建立起来了。
aP4r6lLv+ N(F9vZOs 在start_kernel()的最后,通过调用init()函数,系统创建第一个核心线程,启动了init过程。而核心线程init()主要是来进行一些外设初始化的工作的,包括调用do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化。并完成文件系统初始化和root文件系统的安装。
VpJ2Qpd= GL
(YC-{ 当do_basic_setup()函数返回init(),init()又打开了/dev/console设备,重定向三个标准的输入输出文件stdin、stdout和stderr到控制台,最后,搜索文件系统中的init程序(或者由init=命令行参数指定的程序),并使用 execve()系统调用加载执行init程序。到此init()函数结束,内核的引导部分也到此结束了。
II[qWs>RG[ YJr@4!j* 第二部分:运行init
dyu~T{ BDcl1f T 'JRkS'ay "*TnkFTR init的进程号是1,从这一点就能看出,init进程是系统所有进程的起点,Linux在完成核内引导以后,就开始运行init程序,。init程序需要读取配置文件/etc/inittab。inittab是一个不可执行的文本文件,它有若干行指令所组成。在Redhat系统中,inittab的内容如下所示(以“###"开始的中注释为笔者增加的):
=k0l>) +fKLCzj #
o>j3<#? # inittab This file describes how the INIT process should set up
I,q3J1K # the system in a certain run-level.
-+c_TJ.dC #
*jDzh;H!w # Author: Miquel van Smoorenburg, <
miquels@drinkel.nl.mugnet.org>
@0t,vye # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
Xf$,ra" #
kbOo;<X9A VE{t]>*-u # Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
\t )Zk2 # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
c)lMi}/ # 1 - Single user mode
CJ%7M`zy # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
Tw|=;m # 3 - Full multiuser mode
KS%xo6k. # 4 - unused
Is%-r.i # 5 - X11
u,/PJg-(! # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
Q%KS$nP9 #
N)&3(A@ ###表示当前缺省运行级别为5(initdefault);
_L&C4 <e' id:5:initdefault:
Q2iu}~ Rrk3EL ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
-S9$C*t # System initialization.
xNl_Q8Z?R^ si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
UJlKw `4 C+2*m=r l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
O (wt[AEA l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
Vx?a&{3]- l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
.!=2#< l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
wVw3YIN# l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
_`ot||J ###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)
?l
bK;Kv l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
r=s2wjk l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
&e2") 4oh 1oodw!hW ###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
Qv[@ioc # Trap CTRL-ALT-DELETE
s{hJ"lv: ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
Z
wIsEJz 'rU5VrK # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes
"EHwv2Hm> # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
Z\`uI+` # This does, of course, assume you have powerd installed and your
6(X(f;MEl # UPS connected and working correctly.
%'@&j2j> pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
e|xRK?aVBu r@k&1*& # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
hb[K.`g pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
%0= |WnF- }0c'hWMZ} ###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,
;pS
Wu9 ###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)
F&I^bkvh # Run gettys in standard runlevels
# l}Y1^PDd 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
Y+j|T`d 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
QnVYZUgJeV 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
\vojF\ 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
\%rX~UhZ= 5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
&o:wSe 6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
sIg{a(1/ q[7C,o>/ ###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)
dN;C-XF3s # Run xdm in runlevel 5
WVp14Z?k x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon
qKZ~)B j Bo)w#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:
O`Nzn~),x JKXs/r;: \JN?3}_J l}K{=%U>7 id:runlevel:action:process
'tp+g3V _q+H>1.&9 对上面各项的详细解释如下:
~B|K]&/] m03;'Nj'7# 1. id
AfFFu\ :J}L| `U9 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。
D+#QQH #k5Nnv#(J 2. runlevel
1kvBQ1+ O-5H7Kd- 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。
~S#Le d#Ql>PrY 3. action
l>H#\MR Z[Uz~W6M] 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:
`epO/Uu\~u ( *U Mpdj 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。
6# ,2 UC\CCDV#^ sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel。
b&s"x?
7 D3|y|Dr 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。
@e3O=_m- 8v5cQ5Lc 4. process
##EMJi [*]&U6\j process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。
?%{v1( j[
kg9z 第三部分:系统初始化
M&:[3u- Ihw^g<X 在init的配置文件中有这么一行:
M')f,5i&$ rp{q.fy'U si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
K!0vvP2H DO8@/W(
` 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。
QI.{M$,m~ OpW4@le_r 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。
9)];l?l +MvcW.W~ 当rc.sysinit程序执行完毕后,将返回init继续下一步。
Qis[j-?: u
@?n3l 第四部分:启动对应运行级别的守护进程
oZQ%P LlrUJ-uC7 2dFC{US' f{t5r 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:
z ~#
.Ey _2R;@[f2 l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
~jQ|X?tR 7%b?[}y4 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,IP=e~ S bc /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。
-M/DOTc U\*}} 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:
[:&4 Tp*C []}E-
V amd:自动安装NFS守护进程
Cd?aC apmd:高级电源管理守护进程
mG*[5?=r 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
lc?9B autofs:自动安装管理进程automount,与NFS相关,依赖于NIS
xKi:
2 crond:Linux下的计划任务的守护进程
:*4b,P named:DNS服务器
8'
M43n netfs:安装NFS、Samba和NetWare网络文件系统
U(4>e! network:激活已配置网络接口的脚本程序
ABuK`(f. nfs:打开NFS服务
\fj*.[, portmap:RPC portmap管理器,它管理基于RPC服务的连接
lyc
]E
9 sendmail:邮件服务器sendmail
0hVw=KDO9: smb:Samba文件共享/打印服务
Zi<Y?Vm/,O 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
x|g>Zd/n xfs:X Window字型服务器,为本地和远程X服务器提供字型集
yU<T_&M
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
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