Linux启动过程剖析

本文转贴自：雅虎科技http://cn.tech.yahoo.com/050816/55/27bpk.html

 

 

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。而且介绍了启动中涉及到的各类文件。

 

阅读Linux源代码，无疑是深刻学习Linux的最好方法。在本文对Linux启动过程的介绍中，咱们也尝试从源代码的视角来更深刻的剖析Linux的启动过程，因此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，也涉及到了少许的汇编。

 

而启动过程当中也执行了大量的shell(主要是bash shell)所写脚本。为了方便读者阅读，笔者将整个Linux启动过程分红如下几个部分逐一介绍，你们能够参考下图：

 

当用户打开PC的电源，BIOS开机自检，按BIOS中设置的启动设备(一般是硬盘)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陆系统，用户登陆成功后进入了Shell，这样就完成了从开机到登陆的整个启动过程。

 

下面就将逐一介绍其中几个关键的部分：

 

第一部分：内核的引导(核内引导)

 

Red Hat9.0可使用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，而后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。

 

其中bootsect.S是生成引导扇区的汇编源码，它完成加载动做后直接跳转到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，以便之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。

 

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？

 

0x100000这个内存地址存放的是解压后的内核，由于Red Hat提供的内核包含了众多驱动和功能而显得比较大，因此在内核编译中使用了“makebzImage”方式，从而生成压缩过的内核，在RedHat中内核经常被命名为vmlinuz，在Linux的最初引导过程当中，是经过"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。

 

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，而后就跳转到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自己的设置。

 

start_kernel()函数中，作了大量的工做来创建基本的Linux核心环境。若是顺利执行完start_kernel()，则基本的Linux核心环境已经创建起来了。

 

在start_kernel()的最后，经过调用init()函数，系统建立第一个核心线程，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做的，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。

 

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。

 

第二部分：运行init

 

init的进程号是1，从这一点就能看出，init进程是系统全部进程的起点，Linux在完成核内引导之后，就开始运行init程序。init程序须要读取配置文件/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的内容以下所示(以“###"开始的中注释为笔者增长的)：

 

 

#

# inittab

This file describes how the

INIT process should set up

# the system in a certain run-level.

#

# Author:Miquel van Smoorenburg,

 

#Modified for RHS Linux by Marc

Ewing and Donnie Barnes

#

# Default runlevel.

The runlevels used by RHS are:

# 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)

# 1 - Single user mode

# 2 - Multiuser, without NFS

(The same as 3, if you do not havenetworking)

# 3 - Full multiuser mode

# 4 - unused

# 5 - X11

# 6 - reboot

(Do NOT set initdefault to this)

#

###表示当前缺省运行级别为5(initdefault)；

id:5:initdefault:

###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)

# System initialization.

si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0

l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1

l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2

l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3

l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4

###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)

l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5

l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6

###在启动过程当中容许按

CTRL-ALT-DELETE重启系统

# Trap CTRL-ALT-DELETE

ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now

# When our UPS tells us power has failed,

assume we have a few minutes

# of power left. Schedule a shutdown

for 2 minutes from now.

# This does, of course, assume you have

powerd installed and your

# UPS connected and working correctly.

pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2

"Power Failure; System Shutting Down"

# If power was restored before the

shutdown kicked in, cancel it.

　　pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown

-c "Power Restored; Shutdown Cancelled"

###在二、三、四、5级别上以ttyX为参数执行

/sbin/mingetty程序，

打开ttyX终端用于用户登陆，

###若是进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)

# Run gettys in standard runlevels

1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1

2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2

3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3

4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4

5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5

6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6

###在5级别上运行xdm程序，

提供xdm图形方式登陆界面，

并在退出时从新执行(respawn)

# Run xdm in runlevel 5

x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon

 

 

以上面的inittab文件为例，来讲明一下inittab的格式。其中以#开始的行是注释行，除了注释行以外，每一行都有如下格式：

 

 

id:runlevel:action:process

 

 

对上面各项的详细解释以下：

 

1. id

 

id是指入口标识符，它是一个字符串，对于getty或mingetty等其余login程序项，要求id与tty的编号相同，不然getty程序将不能正常工做。

 

2. runlevel

 

runlevel是init所处于的运行级别的标识，通常使用0－6以及S或s。0、一、6运行级别被系统保留：其中0做为shutdown动做，1做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，所以也不在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。在通常的系统实现中，都使用了二、三、四、5几个级别，在Redhat系统中，2表示无NFS支持的多用户模式，3表示彻底多用户模式（也是最经常使用的级别），4保留给用户自定义，5表示XDM图形登陆方式。

 

7－9级别也是可使用的，传统的Unix系统没有定义这几个级别。runlevel能够是并列的多个值，以匹配多个运行级别，对大多数action来讲，仅当runlevel与当前运行级别匹配成功才会执行。

 

3. action

 

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：

 

initdefault是一个特殊的action值，用于标识缺省的启动级别；当init由核心激活之后，它将读取inittab中的initdefault项，取得其中的runlevel，并做为当前的运行级别。若是没有inittab文件，或者其中没有initdefault项，init将在控制台上请求输入runlevel。

 

sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行，而忽略其中的runlevel。其他的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。

 

4. process

 

process为具体的执行程序。程序后面能够带参数。

 

第三部分：系统初始化

 

在init的配置文件中有这么一行：

 

 

si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

 

 

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做，rc.sysinit是每个运行级别都要首先运行的重要脚本。它主要完成的工做有：激活交换分区，检查磁盘，加载硬件模块以及其它一些须要优先执行任务。

 

rc.sysinit约有850多行，可是每一个单一的功能仍是比较简单，并且带有注释，建议有兴趣的用户能够自行阅读本身机器上的该文件，以了解系统初始化所详细状况。因为此文件较长，因此不在本文中列出来，也不作具体的介绍。当rc.sysinit程序执行完毕后，将返回init继续下一步。

 

第四部分：启动对应运行级别的守护进程

 

在rc.sysinit执行后，将返回init继续其它的动做，一般接下来会执行到/etc/rc.d/rc程序。以运行级别3为例，init将执行配置文件inittab中的如下这行：

 

 

l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5

 

 

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做为参数，去执行/etc/rc.d/rc5.d/目录下的全部的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连接文件，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启动脚本有着相似的用法，它们通常能接受start、stop、restart、status等参数。

 

/etc/rc.d/rc5.d/中的rc启动脚本一般是K或S开头的连接文件，对于以以S开头的启动脚本，将以start参数来运行。而若是发现存在相应的脚本也存在K打头的连接，并且已经处于运行态了(以/var/lock/subsys/下的文件做为标志)，则将首先以stop为参数中止这些已经启动了的守护进程，而后再从新运行。这样作是为了保证是当init改变运行级别时，全部相关的守护进程都将重启。

 

至于在每一个运行级中将运行哪些守护进程，用户能够经过chkconfig或setup中的"System Services"来自行设定。常见的守护进程有：

 

amd：自动安装NFS守护进程

 

apmd:高级电源管理守护进程

 

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

 

autofs：自动安装管理进程automount，与NFS相关，依赖于NIS

 

crond：Linux下的计划任务的守护进程

 

named：DNS服务器

 

netfs：安装NFS、Samba和NetWare网络文件系统

 

network：激活已配置网络接口的脚本程序

 

nfs：打开NFS服务

 

portmap：RPC portmap管理器，它管理基于RPC服务的链接

 

sendmail：邮件服务器sendmail

 

smb：Samba文件共享/打印服务

 

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

 

xfs：X Window字型服务器，为本地和远程X服务器提供字型集

 

Xinetd：支持多种网络服务的核心守护进程，能够管理wuftp、sshd、telnet等服务

 

这些守护进程也启动完成了，rc程序也就执行完了，而后又将返回init继续下一步。

 

第五部分：创建终端

 

rc执行完毕后，返回init。这时基本系统环境已经设置好了，各类守护进程也已经启动了。init接下来会打开6个终端，以便用户登陆系统。经过按Alt+Fn(n对应1-6)能够在这6个终端中切换。在inittab中的如下6行就是定义了6个终端：

 

 

1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1

2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2

3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3

4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4

5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5

6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6

 

 

从上面能够看出在二、三、四、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陆界面，这个界面就是咱们常常看到的登陆界面，在这个登陆界面中会提示用户输入用户名，而用户输入的用户将做为参数传给login程序来验证用户的身份。

 

第六部分：登陆系统，启动完成

 

对于运行级别为5的图形方式用户来讲，他们的登陆是经过一个图形化的登陆界面。登陆成功后能够直接进入KDE、Gnome等窗口管理器。而本文主要讲的仍是文本方式登陆的状况：

 

当咱们看到mingetty的登陆界面时，咱们就能够输入用户名和密码来登陆系统了。

 

Linux的帐号验证程序是login，login会接收mingetty传来的用户名做为用户名参数。而后login会对用户名进行分析：若是用户名不是root，且存在/etc/nologin文件，login将输出nologin文件的内容，而后退出。这一般用来系统维护时防止非root用户登陆。

 

只有/etc/securetty中登记了的终端才容许root用户登陆，若是不存在这个文件，则root能够在任何终端上登陆。/etc/usertty文件用于对用户做出附加访问限制，若是不存在这个文件，则没有其余限制。

 

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帐户的其它信息，好比：主目录是什么、使用何种shell。若是没有指定主目录，将默认为根目录；若是没有指定shell，将默认为/bin/bash。

 

login程序成功后，会向对应的终端在输出最近一次登陆的信息(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)。而后开始设置各类环境变量：对于bash来讲，系统首先寻找/etc/profile脚本文件，并执行它；而后若是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，全部的配置文件执行后后，各类环境变量也设好了，这时会出现你们熟悉的命令行提示符，到此整个启动过程就结束了。

 

但愿经过上面对Linux启动过程的剖析能帮助那些想深刻学习Linux用户创建一个相关Linux启动过程的清晰概念，进而能够进一步研究Linux接下来是如何工做的。