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。
'Aqmf+Mm N4Lk3] 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:
pj )I4C) I0ie3ESdN 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。
cu"%>>,, Sph+kiy| /d=$,q1 ld?M,Qd 下面就将逐一介绍其中几个关键的部分:
JIQzP?+? O:x=yj%^ 4Ek<
5s[ YW}/C wB 第一部分:内核的引导(核内引导)
95<:-?4C;W f@}( <# 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。
zm}1~A evs2dz<eA 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。
-( iJ< p>zE/Pw~ 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?
g<C})84y3 }F.1j!71L 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。
vP?yl "U M`<D Z<:< 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。
-?(RoWv@X& a@a1/3 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。
/0c&!OP _NkN3f5 1L 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。
4J_%quxO Rk=B; 第二部分:运行init
q38; w~H H xlw1(zS Iu[EUi!" QXz!1o+" 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):
pE<' '`
4[ra #
yS43>UK_W+ # inittab This file describes how the INIT process should set up
b?$09,{0 # the system in a certain run-level.
8j$q%g #
3q>"#+R.t # Author: Miquel van Smoorenburg, <
miquels@drinkel.nl.mugnet.org>
,*4"d._Y # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
NLpD,q{ #
G#V22Wca8 >H1d9y+Z # Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
s`B'vyoaa # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
?*@h]4+k' # 1 - Single user mode
dF,FH- # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
5^dw!^d # 3 - Full multiuser mode
C;5}/J^E # 4 - unused
1fy{@j(W # 5 - X11
UE4#j\ # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
pUr[MnQLf #
7" [;M ###表示当前缺省运行级别为5(initdefault);
LZVO9e] id:5:initdefault:
x\DkS,O ' 7A7HDJ ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
0o]K6b # System initialization.
>+#[O" si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
f3>/6C ,2`d3u^CW l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
{5udol5? l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
W24bO|>D l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
~roHnJ> l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
6&Dvp1`m l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
z!+<m< ###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)
a}K+w7VY\ l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
l)8 V:MK l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
Lk9>7xY IO#W#wW$M ###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
RtL<hD # Trap CTRL-ALT-DELETE
^ztf:'l@C ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
CA4-&O" + LwoBn>6 # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes
D$cMPFa2Nt # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
/v{[Z&z # This does, of course, assume you have powerd installed and your
v#|c.<]. # UPS connected and working correctly.
z aF0nov pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
"{_"NjH XV>6;!=E # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
A 5 X+Z pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
8j}m\^si wM)w[ ###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,
h+UscdUl ###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)
|pqpF?h5| # Run gettys in standard runlevels
k)p y\ 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
`<zb 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
.F2nF8 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
{nefS\#{ 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
.6NSt 5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
=T)2wcXBB 6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
lt4jnV2"a fn OkH ###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)
^wa9zs2s;/ # Run xdm in runlevel 5
<k](s x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon
0EOX@;} q4i8Sp> 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:
j6vZ{Fx;w $:[BB,$ #!jRY!2Vt >!1 f` id:runlevel:action:process
Rda1X~-g e<4z) 对上面各项的详细解释如下:
?+5{HFx :dN35Y] a 1. id
!&O/7ywe Ye2];(M 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。
U.U.\ es[5B* 5 2. runlevel
K eI:/2 hPz
df*(8 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。
{*;]I?9Al C..2y4bA} 3. action
OLNn3
J $`{q[ { action是描述其后的process的运行方式的。action可取的值包括:initdefault、sysinit、boot、bootwait等:
Q!X_&ao)O @$d\5Q(G 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。
jF{gDK 9K46>_TyH sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel。
_(`X .D &OR