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。
~q ^o|? FOk&z!xYKd 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:
m'"r<]pB*4 MJGT|u8O& 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。
kE:[6reG %/A>'p,~ Tx.N#,T| D{+@ ,C7B 下面就将逐一介绍其中几个关键的部分:
*V2;ds.~ KuP#i]Na \GL] I. g#$ C8k 第一部分:内核的引导(核内引导)
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s_'F-]0 R/~!km 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。
R #wZW&N c e;7 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。
YmC}q20; J+P<zC 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?
ga
+,
P SoU(fI[6 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。
Ih.+-!w u}%OC43 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。
jYVs\h6 JR]2Ray 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。
j-K[]$ Q4cCg7|0 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。
Eg)24C R 4 a&%aads 第二部分:运行init
0b{jox\!B ps<Ef *p(_="J, $}&a*c> init的进程号是1,从这一点就能看出,init进程是系统所有进程的起点,Linux在完成核内引导以后,就开始运行init程序,。init程序需要读取配置文件/etc/inittab。inittab是一个不可执行的文本文件,它有若干行指令所组成。在Redhat系统中,inittab的内容如下所示(以“###"开始的中注释为笔者增加的):
h?xgOb!4 ({E,}x #
u !BU^@ P # inittab This file describes how the INIT process should set up
F+hV'{|w` # the system in a certain run-level.
3'uXU<W! #
hi"C<b. # Author: Miquel van Smoorenburg, <
miquels@drinkel.nl.mugnet.org>
+@rFbsyJ. # Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
TanWCt4r #
)E.AY Ic0Sb7c # Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
v[
iJ(C_ # 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
FDl/7P`b( # 1 - Single user mode
C'I&< # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
3=
=["hO # 3 - Full multiuser mode
,!{8@*!=s # 4 - unused
Tksv7*5$ # 5 - X11
'/I`dj # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
)Eozo4~ #
M`&t=0D ###表示当前缺省运行级别为5(initdefault);
ZN}`A7 id:5:initdefault:
4~}NB%, #f#6u2nF\ ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
|XB<vj07G # System initialization.
6(QfD](2} si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
LLgw1 @-D O&7.Ry
m l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
6,=Z4> l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
?^~ZsOd8B
l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
U,U=udsi l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
gkmof^ l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
jemb/:E ###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)
p6j-8ggL l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
2 ,nhs,FZ l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
&oMEz 0 YhH3f VM ###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
zbFy3-R P # Trap CTRL-ALT-DELETE
\aJ>? ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
k1z`92" hF-QbO # When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes
+t,b/K(?] # of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
8[@,i|kgg0 # This does, of course, assume you have powerd installed and your
+'m9b7+v # UPS connected and working correctly.
ajycYk9<m pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
vl/!w2 iFUiw& # If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
&0T.o,&y pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
r%;|gIky Y7S1^'E
3 ###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,
[x)T2sA ###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)
;>7~@
K # Run gettys in standard runlevels
RJ?)O#} 1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
{gzQ/|}#z- 2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
CG%bZco(( 3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
tpSgbGzp 4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
W"%n5) 5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
Kz;Ar&^`N 6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
sNx_9pJs4 e;vI XJE ###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)
G+=Gc(J # Run xdm in runlevel 5
,It0brF x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon
"7sv@I_j BQfnoF 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:
QP(d77n B9"d7E#wHF `RY}g; le^Fik
id:runlevel:action:process
7NJl+*u )y]Dmm 对上面各项的详细解释如下:
B}04E^ gbMA-r:IC 1. id
B6F!" jIaaNO) 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。
{EZR}N +\+j/sa 2. runlevel
S<(i /5Z+ |~A*?6:@ 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。
v^eAQoFLhN ubB1a_7 3. action
|gV~U~A] /[ m7~B]QE 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:
T
?Om]:j ;8#6da, 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。
O\7x+^. \:h7,[e sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel。
Jm ,:6T JA{kifu0+ 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。
[`tOhL 4(,.<# 4. process
3q4VH q K cex%. process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。
f IV"U C+\z$/q 第三部分:系统初始化
MY{Kq;FvRP #TUm&2 +V 在init的配置文件中有这么一行:
SkV pZh yuC"V' si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
6\l F UK
OhsE 它调用执行了/etc/rc.d/rc.sysinit,而rc.sysinit是一个bash shell的脚本,它主要是完成一些系统初始化的工作,rc.sysinit是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。它主要完成的工作有:激活交换分区,检查磁盘,加载硬件模块以及其它一些需要优先执行任务。
ExS&fUn`C P[aE3Felk rc.sysinit约有850多行,但是每个单一的功能还是比较简单,而且带有注释,建议有兴趣的用户可以自行阅读自己机器上的该文件,以了解系统初始化所详细情况。由于此文件较长,所以不在本文中列出来,也不做具体的介绍。
,w "cY?~< %o9mG<.T 当rc.sysinit程序执行完毕后,将返回init继续下一步。
e|C2/U- \ MuKS4 第四部分:启动对应运行级别的守护进程
#HL$`&m X,@nD@ {31X G>^= Bm_$ 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:
2G|}ENC )2"WC\% l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
7/&t