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 文章标题 : 剖析 Linux 启动的后台全过程
帖子发表于 : 2007-08-21 18:03 

注册: 2007-07-18 14:39
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本文来自:http://bbs.51cto.com/thread-353-1-1.html

引: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。

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:




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。

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。

   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。

   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,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。

   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。

   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。

   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):


#

# 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

###在启动过程中允许按

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。
###如果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图形方式登录界面,

并在退出时重新执行(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:??

id:runlevel:action:process

对上面各项的详细解释如下:

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。

2. runlevel


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。

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。

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。

4. process

process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。

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。

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。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:

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。

/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。

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:

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服务的连接

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,可以管理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,然后又将返回init继续下一步。

第五部分:建立终端

rc执行完毕后,返回init。这时基本系统环境已经设置好了,各种守护进程也已经启动了。init接下来会打开6个终端,以便用户登录系统。通过按Alt+Fn(n对应1-6)可以在这6个终端中切换。在inittab中的以下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??

从上面可以看出在2、3、4、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录界面,这个界面就是我们经常看到的登录界面,在这个登录界面中会提示用户输入用户名,而用户输入的用户将作为参数传给login程序来验证用户的身份。

第六部分:登录系统,启动完成

对于运行级别为5的图形方式用户来说,他们的登录是通过一个图形化的登录界面。登录成功后可以直接进入KDE、Gnome等窗口管理器。而本文主要讲的还是文本方式登录的情况:

当我们看到mingetty的登录界面时,我们就可以输入用户名和密码来登录系统了。

Linux的账号验证程序是login,login会接收mingetty传来的用户名作为用户名参数。然后login会对用户名进行分析:如果用户名不是root,且存在/etc/nologin文件,login将输出nologin文件的内容,然后退出。这通常用来系统维护时防止非root用户登录。

只有/etc/securetty中登记了的终端才允许root用户登录,如果不存在这个文件,则root可以在任何终端上登录。/etc/usertty文件用于对用户作出附加访问限制,如果不存在这个文件,则没有其他限制。

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账户的其它信息,比如:主目录是什么、使用何种shell。如果没有指定主目录,将默认为根目录;如果没有指定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录的信息(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)。然后开始设置各种环境变量:对于bash来说,系统首先寻找/etc/profile脚本文件,并执行它;然后如果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,所有的配置文件执行后后,各种环境变量也设好了,这时会出现大家熟悉的命令行提示符,到此整个启动过程就结束了。

希望通过上面对Linux启动过程的剖析能帮助那些想深入学习Linux用户建立一个相关Linux启动过程的清晰概念,进而可以进一步研究Linux接下来是如何工作的。


_________________
软件是计算机的灵魂 所以操作系统是计算机中很重要的部分 包括网络 并且也是一个网络操作系统
特别是linux 是开源的 比windows强多了 比画面ubuntu的比vista强多了
所以linux是我的最爱


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