Linux系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程

1、Linux系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程剖析Linux系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程(cited)本文以RedHat9.0和i386平臺(tái)為例，剖析了從用戶打開(kāi)電源直到屏幕出現(xiàn)命令行提示符的整個(gè)Linux啟動(dòng)過(guò)程。并且介紹了啟動(dòng)中涉及到的各種文件。 閱讀Linux源代碼，無(wú)疑是深入學(xué)習(xí)Linux的最好方法。在本文對(duì)Linux啟動(dòng)過(guò)程的介紹中，我們也嘗試從源代碼的視角來(lái)更深入的剖析Linux的啟動(dòng)過(guò)程，所以其中也簡(jiǎn)單涉及到部分相關(guān)的Linux源代碼，Linux啟動(dòng)這部分的源碼主要使用的是C語(yǔ)言，也涉及到了少量的匯編。而啟動(dòng)過(guò)程中也執(zhí)行了大量的shell(主要是bash shell)所寫(xiě)腳本。為了方便讀者閱讀，筆者將整個(gè)Linux啟動(dòng)

2、過(guò)程分成以下幾個(gè)部分逐一介紹，大家可以參考下圖：當(dāng)用戶打開(kāi)PC的電源，BIOS開(kāi)機(jī)自檢，按BIOS中設(shè)置的啟動(dòng)設(shè)備(通常是硬盤(pán))啟動(dòng)，接著啟動(dòng)設(shè)備上安裝的引導(dǎo)程序lilo或grub開(kāi)始引導(dǎo)Linux，Linux首先進(jìn)行內(nèi)核的引導(dǎo)，接下來(lái)執(zhí)行init程序，init程序調(diào)用了rc.sysinit和rc等程序，rc.sysinit和rc當(dāng)完成系統(tǒng)初始化和運(yùn)行服務(wù)的任務(wù)后，返回init；init啟動(dòng)了mingetty后，打開(kāi)了終端供用戶登錄系統(tǒng)，用戶登錄成功后進(jìn)入了Shell，這樣就完成了從開(kāi)機(jī)到登錄的整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程。下面就將逐一介紹其中幾個(gè)關(guān)鍵的部分： 第一部分：內(nèi)核的引導(dǎo)(核內(nèi)引導(dǎo))RedHat9.

3、0可以使用lilo或grub等引導(dǎo)程序開(kāi)始引導(dǎo)Linux系統(tǒng)，當(dāng)引導(dǎo)程序成功完成引導(dǎo)任務(wù)后，Linux從它們手中接管了CPU的控制權(quán)，然后CPU就開(kāi)始執(zhí)行Linux的核心映象代碼，開(kāi)始了Linux啟動(dòng)過(guò)程。這里使用了幾個(gè)匯編程序來(lái)引導(dǎo)Linux，這一步泛及到Linux源代碼樹(shù)中的“arch/i386/boot”下的這幾個(gè)文件：bootsect.S、setup.S、video.S等。其中bootsect.S是生成引導(dǎo)扇區(qū)的匯編源碼，它完成加載動(dòng)作后直接跳轉(zhuǎn)到setup.S的程序入口。setup.S的主要功能就是將系統(tǒng)參數(shù)（包括內(nèi)存、磁盤(pán)等，由BIOS返回）拷貝到特別內(nèi)存中，以便以后這些參數(shù)被保護(hù)

4、模式下的代碼來(lái)讀取。此外，setup.S還將video.S中的代碼包含進(jìn)來(lái)，檢測(cè)和設(shè)置顯示器和顯示模式。最后，setup.S將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到保護(hù)模式，并跳轉(zhuǎn)到 0x。那么0x這個(gè)內(nèi)存地址中存放的是什么代碼？而這些代碼又是從何而來(lái)的呢？0x這個(gè)內(nèi)存地址存放的是解壓后的內(nèi)核，因?yàn)镽edHat提供的內(nèi)核包含了眾多驅(qū)動(dòng)和功能而顯得比較大，所以在內(nèi)核編譯中使用了“makebzImage”方式，從而生成壓縮過(guò)的內(nèi)核，在RedHat中內(nèi)核常常被命名為vmlinuz，在Linux的最初引導(dǎo)過(guò)程中，是通過(guò)”arch/i386/boot/compressed/”中的head.S利用misc.c中定義的decompre

5、ss_kernel()函數(shù)，將內(nèi)核vmlinuz解壓到0x的。當(dāng)CPU跳到0x時(shí)，將執(zhí)行”arch/i386/kernel/head.S”中的startup_32，它也是vmlinux的入口，然后就跳轉(zhuǎn)到start_kernel()中去了。start_kernel()是”init/main.c”中的定義的函數(shù)，start_kernel()中調(diào)用了一系列初始化函數(shù)，以完成kernel本身的設(shè)置。start_kernel()函數(shù)中，做了大量的工作來(lái)建立基本的Linux核心環(huán)境。如果順利執(zhí)行完start_kernel()，則基本的Linux核心環(huán)境已經(jīng)建立起來(lái)了。在start_kernel()的最后

6、，通過(guò)調(diào)用init()函數(shù)，系統(tǒng)創(chuàng)建第一個(gè)核心線程，啟動(dòng)了init過(guò)程。而核心線程init()主要是來(lái)進(jìn)行一些外設(shè)初始化的工作的，包括調(diào)用do_basic_setup()完成外設(shè)及其驅(qū)動(dòng)程序的加載和初始化。并完成文件系統(tǒng)初始化和root文件系統(tǒng)的安裝。當(dāng)do_basic_setup()函數(shù)返回init()，init()又打開(kāi)了/dev/console設(shè)備，重定向三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出文件stdin、stdout和stderr到控制臺(tái)，最后，搜索文件系統(tǒng)中的init程序（或者由init=命令行參數(shù)指定的程序），并使用execve()系統(tǒng)調(diào)用加載執(zhí)行init程序。到此init()函數(shù)結(jié)束，內(nèi)核的引導(dǎo)部

7、分也到此結(jié)束了， 第二部分：運(yùn)行init init的進(jìn)程號(hào)是1，從這一點(diǎn)就能看出，init進(jìn)程是系統(tǒng)所有進(jìn)程的起點(diǎn)，Linux在完成核內(nèi)引導(dǎo)以后，就開(kāi)始運(yùn)行init程序，。init程序需要讀取配置文件/etc/inittab。inittab是一個(gè)不可執(zhí)行的文本文件，它有若干行指令所組成。在Redhat系統(tǒng)中，inittab的內(nèi)容如下所示(以“#”開(kāi)始的中注釋為筆者增加的)：# inittab This file describes how the INIT process should set up# the system in a certain run-level.# Author: Mi

8、quel 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 multiu

9、ser mode# 4 - unused# 5 - X11# 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)#表示當(dāng)前缺省運(yùn)行級(jí)別為5(initdefault)；id:5:initdefault:#啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)執(zhí)行/etc/rc.d/rc.sysinit腳本(sysinit)# System initialization.si:sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinitl0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2l3:3:wait:/etc/r

10、c.d/rc 3l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4#當(dāng)運(yùn)行級(jí)別為5時(shí)，以5為參數(shù)運(yùn)行/etc/rc.d/rc腳本，init將等待其返回(wait)l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6#在啟動(dòng)過(guò)程中允許按CTRL-ALT-DELETE重啟系統(tǒng)# Trap CTRL-ALT-DELETEca:ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now# When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes# of power l

11、eft.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:po

12、werokwait:/sbin/shutdown -c “Power Restored; Shutdown Cancelled”#在2、3、4、5級(jí)別上以ttyX為參數(shù)執(zhí)行/sbin/mingetty程序，打開(kāi)ttyX終端用于用戶登錄，#如果進(jìn)程退出則再次運(yùn)行mingetty程序(respawn)# Run gettys in standard runlevels1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty12:2345:respawn:/sbin/mingetty tty23:2345:respawn:/sbin/mingetty tty34:2345:respawn:

13、/sbin/mingetty tty45:2345:respawn:/sbin/mingetty tty56:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6#在5級(jí)別上運(yùn)行xdm程序，提供xdm圖形方式登錄界面，并在退出時(shí)重新執(zhí)行(respawn)# Run xdm in runlevel 5x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon以上面的inittab文件為例，來(lái)說(shuō)明一下inittab的格式。其中以#開(kāi)始的行是注釋行，除了注釋行之外，每一行都有以下格式： id:runlevel:action:process對(duì)上面各項(xiàng)的詳細(xì)解釋如下：1. i

14、did是指入口標(biāo)識(shí)符，它是一個(gè)字符串，對(duì)于getty或mingetty等其他login程序項(xiàng)，要求id與tty的編號(hào)相同，否則getty程序?qū)⒉荒苷９ぷ鳌?. runlevelrunlevel是init所處于的運(yùn)行級(jí)別的標(biāo)識(shí)，一般使用06以及S或s。0、1、6運(yùn)行級(jí)別被系統(tǒng)保留：其中0作為shutdown動(dòng)作，1作為重啟至單用戶模式，6為重啟；S和s意義相同，表示單用戶模式，且無(wú)需inittab文件，因此也不在inittab中出現(xiàn)，實(shí)際上，進(jìn)入單用戶模式時(shí)，init直接在控制臺(tái)（/dev/console）上運(yùn)行/sbin/sulogin。在一般的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，都使用了2、3、4、5幾個(gè)級(jí)別，在

15、Redhat系統(tǒng)中，2表示無(wú)NFS支持的多用戶模式，3表示完全多用戶模式（也是最常用的級(jí)別），4保留給用戶自定義，5表示XDM圖形登錄方式。79級(jí)別也是可以使用的，傳統(tǒng)的Unix系統(tǒng)沒(méi)有定義這幾個(gè)級(jí)別。runlevel可以是并列的多個(gè)值，以匹配多個(gè)運(yùn)行級(jí)別，對(duì)大多數(shù)action來(lái)說(shuō)，僅當(dāng)runlevel與當(dāng)前運(yùn)行級(jí)別匹配成功才會(huì)執(zhí)行。3. actionaction是描述其后的process的運(yùn)行方式的。action可取的值包括：initdefault、sysinit、boot、bootwait等：initdefault是一個(gè)特殊的action值，用于標(biāo)識(shí)缺省的啟動(dòng)級(jí)別；當(dāng)init由核心激活以后

16、，它將讀取inittab中的initdefault項(xiàng)，取得其中的runlevel，并作為當(dāng)前的運(yùn)行級(jí)別。如果沒(méi)有inittab文件，或者其中沒(méi)有initdefault項(xiàng)，init將在控制臺(tái)上請(qǐng)求輸入runlevel。sysinit、boot、bootwait等action將在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)無(wú)條件運(yùn)行，而忽略其中的runlevel。其余的action（不含initdefault）都與某個(gè)runlevel相關(guān)。各個(gè)action的定義在inittab的man手冊(cè)中有詳細(xì)的描述。4. processprocess為具體的執(zhí)行程序。程序后面可以帶參數(shù)。第三部分：系統(tǒng)初始化在init的配置文件中有這么一行：s

17、i:sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit它調(diào)用執(zhí)行了/etc/rc.d/rc.sysinit，而rc.sysinit是一個(gè)bashshell的腳本，它主要是完成一些系統(tǒng)初始化的工作，rc.sysinit是每一個(gè)運(yùn)行級(jí)別都要首先運(yùn)行的重要腳本。它主要完成的工作有：激活交換分區(qū)，檢查磁盤(pán)，加載硬件模塊以及其它一些需要優(yōu)先執(zhí)行任務(wù)。rc.sysinit約有850多行，但是每個(gè)單一的功能還是比較簡(jiǎn)單，而且?guī)в凶⑨?，建議有興趣的用戶可以自行閱讀自己機(jī)器上的該文件，以了解系統(tǒng)初始化所詳細(xì)情況。由于此文件較長(zhǎng)，所以不在本文中列出來(lái)，也不做具體的介紹。當(dāng)rc.sysinit程序執(zhí)行完畢后，

18、將返回init繼續(xù)下一步。第四部分：?jiǎn)?dòng)對(duì)應(yīng)運(yùn)行級(jí)別的守護(hù)進(jìn)程 在rc.sysinit執(zhí)行后，將返回init繼續(xù)其它的動(dòng)作，通常接下來(lái)會(huì)執(zhí)行到/etc/rc.d/rc程序。以運(yùn)行級(jí)別3為例，init將執(zhí)行配置文件inittab中的以下這行：l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5這一行表示以5為參數(shù)運(yùn)行/etc/rc.d/rc，/etc/rc.d/rc是一個(gè)Shell腳本，它接受5作為參數(shù)，去執(zhí)行/etc/rc.d/rc5.d/目錄下的所有的rc啟動(dòng)腳本，/etc/rc.d/rc5.d/目錄中的這些啟動(dòng)腳本實(shí)際上都是一些鏈接文件，而不是真正的rc啟動(dòng)腳本，真正的rc啟動(dòng)腳本實(shí)際上都是放

19、在/etc/rc.d/init.d/目錄下。而這些rc啟動(dòng)腳本有著類似的用法，它們一般能接受start、stop、restart、status等參數(shù)。/etc/rc.d/rc5.d/中的rc啟動(dòng)腳本通常是K或S開(kāi)頭的鏈接文件，對(duì)于以以S開(kāi)頭的啟動(dòng)腳本，將以start參數(shù)來(lái)運(yùn)行。而如果發(fā)現(xiàn)存在相應(yīng)的腳本也存在K打頭的鏈接，而且已經(jīng)處于運(yùn)行態(tài)了(以/var/lock/subsys/下的文件作為標(biāo)志)，則將首先以stop為參數(shù)停止這些已經(jīng)啟動(dòng)了的守護(hù)進(jìn)程，然后再重新運(yùn)行。這樣做是為了保證是當(dāng)init改變運(yùn)行級(jí)別時(shí)，所有相關(guān)的守護(hù)進(jìn)程都將重啟。至于在每個(gè)運(yùn)行級(jí)中將運(yùn)行哪些守護(hù)進(jìn)程，用戶可以通過(guò)chkc

20、onfig或setup中的”System Services”來(lái)自行設(shè)定。常見(jiàn)的守護(hù)進(jìn)程有：amd：自動(dòng)安裝NFS守護(hù)進(jìn)程apmd:高級(jí)電源管理守護(hù)進(jìn)程arpwatch：記錄日志并構(gòu)建一個(gè)在LAN接口上看到的以太網(wǎng)地址和IP地址對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)autofs：自動(dòng)安裝管理進(jìn)程automount，與NFS相關(guān)，依賴于NIScrond：Linux下的計(jì)劃任務(wù)的守護(hù)進(jìn)程named：DNS服務(wù)器netfs：安裝NFS、Samba和NetWare網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)network：激活已配置網(wǎng)絡(luò)接口的腳本程序nfs：打開(kāi)NFS服務(wù)portmap：RPC portmap管理器，它管理基于RPC服務(wù)的連接sendmail：郵件

21、服務(wù)器sendmailsmb：Samba文件共享/打印服務(wù)syslog：一個(gè)讓系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)起動(dòng)syslog和klogd系統(tǒng)日志守候進(jìn)程的腳本xfs：X Window字型服務(wù)器，為本地和遠(yuǎn)程X服務(wù)器提供字型集Xinetd：支持多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的核心守護(hù)進(jìn)程，可以管理wuftp、sshd、telnet等服務(wù)這些守護(hù)進(jìn)程也啟動(dòng)完成了，rc程序也就執(zhí)行完了，然后又將返回init繼續(xù)下一步。 第五部分：建立終端 rc執(zhí)行完畢后，返回init。這時(shí)基本系統(tǒng)環(huán)境已經(jīng)設(shè)置好了，各種守護(hù)進(jìn)程也已經(jīng)啟動(dòng)了。init接下來(lái)會(huì)打開(kāi)6個(gè)終端，以便用戶登錄系統(tǒng)。通過(guò)按Alt+Fn(n對(duì)應(yīng)1-6)可以在這6個(gè)終端中切換。在ini

22、ttab中的以下6行就是定義了6個(gè)終端：1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty12:2345:respawn:/sbin/mingetty tty23:2345:respawn:/sbin/mingetty tty34:2345:respawn:/sbin/mingetty tty45:2345:respawn:/sbin/mingetty tty56:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6從上面可以看出在2、3、4、5的運(yùn)行級(jí)別中都將以respawn方式運(yùn)行mingetty程序，mingetty程序能打開(kāi)終端、設(shè)置模式。同時(shí)它會(huì)顯示一個(gè)文本登錄界面，這個(gè)界面就是我們經(jīng)常看到的登錄界面，在這個(gè)登錄界面中會(huì)提示用戶輸入用戶名，而用戶輸入的用戶將作為參數(shù)傳給login程序來(lái)驗(yàn)證用戶的身份。第六部分：登錄系統(tǒng)，啟動(dòng)完成對(duì)于運(yùn)行級(jí)別為5的圖形方式用戶來(lái)說(shuō)，他們的登錄是通過(guò)一個(gè)圖形化的登錄界面。登錄成功后可以直接進(jìn)入KDE、Gnome等窗口管理器。而本文主要講的還是文本方