剖析Linux系統(tǒng)啟動(dòng)過程
本文以RedHat9.0和i386平臺(tái)為例，剖析了從用戶打開電源直到屏幕出現(xiàn)命令行提示符的整個(gè)Linux啟動(dòng)過程。并且介紹了啟動(dòng)中涉及到的各種文件。
閱讀Linux源代碼，無疑是深入學(xué)習(xí)Linux的***方法。在本文對(duì)Linux啟動(dòng)過程的介紹中，我們也嘗試從源代碼的視角來更深入的剖析Linux 的啟動(dòng)過程，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語言，也涉及到了少量的匯編。而啟動(dòng)過程中也執(zhí)行了大量的shell(主要是bash shell)所寫腳本。為了方便讀者閱讀，筆者將整個(gè)Linux啟動(dòng)過程分成以下幾個(gè)部分逐一介紹，大家可以參考下圖：
當(dāng)用戶打開PC 的電源，BIOS開機(jī)自檢，按BIOS中設(shè)置的啟動(dòng)設(shè)備(通常是硬盤)啟動(dòng)，接著啟動(dòng)設(shè)備上安裝的引導(dǎo)程序lilo或grub開始引導(dǎo) Linux，Linux首先進(jìn)行內(nèi)核的引導(dǎo)，接下來執(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，這樣就完成了從開機(jī)到登錄的整個(gè)啟動(dòng)過程。
下面就將逐一介紹其中幾個(gè)關(guān)鍵的部分：
***部分：內(nèi)核的引導(dǎo)(核內(nèi)引導(dǎo))
Red Hat9.0可以使用lilo或grub等引導(dǎo)程序開始引導(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就開始執(zhí)行Linux的核心映象代碼，開始了Linux啟動(dòng)過程。這里使用了幾個(gè)匯編程序來引導(dǎo)Linux，這一步泛及到Linux源代碼樹中的“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)模式下的代碼來讀取。此外，setup.S還將video.S中的代碼包含進(jìn)來，檢測(cè)和設(shè)置顯示器和顯示模式。***，setup.S將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到保護(hù)模式，并跳轉(zhuǎn)到 0x100000。
那么0x100000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的呢？
0x100000這個(gè)內(nèi)存地址存放的是解壓后的內(nèi)核，因?yàn)镽ed Hat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)過程中，是通過"arch/i386/boot/compressed/"中的head.S利用 misc.c中定義的decompress_kernel()函數(shù)，將內(nèi)核vmlinuz解壓到0x100000的。
當(dāng)CPU跳到 0x100000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)建立起來了。
在start_kernel()的***，通過調(diào)用 init()函數(shù)，系統(tǒng)創(chuàng)建***個(gè)核心線程，啟動(dòng)了init過程。而核心線程init()主要是來進(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)，***，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: 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)
#
#p####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.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
###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 5
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
###在啟動(dòng)過程中允許按CTRL-ALT-DELETE重啟系統(tǒng)
# 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級(jí)別上以ttyX為參數(shù)執(zhí)行/sbin/mingetty程序，打開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 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 5
x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon
以上面的inittab文件為例，來說明一下inittab的格式。其中以#開始的行是注釋行，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. id
id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?/P>
2. runlevel
runlevel是init所處于的運(yùn)行級(jí)別的標(biāo)識(shí)，一般使用0－6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 Redhat系統(tǒng)中，2表示無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。 7－9級(jí)別也是可以使用的，傳統(tǒng)的Unix系統(tǒng)沒有定義這幾個(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來說，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. action
action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，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。如果沒有inittab文件，或者其中沒有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. process
process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：
si::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)bash shell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，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專ㄗh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，也不做具體的介紹。
當(dāng)rc.sysinit程序執(zhí)行完畢后，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開頭的鏈接文件，對(duì)于以以S開頭的啟動(dòng)腳本，將以start參數(shù)來運(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chkconfig或setup中的"System Services"來自行設(shè)定。常見的守護(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NIS
crond：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：郵件服務(wù)器sendmail
smb：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接下來會(huì)打開6個(gè)終端，以便用戶登錄系統(tǒng)。通過按Alt+Fn(n對(duì)應(yīng)1-6)可以在這6個(gè)終端中切換。在inittab中的以下6行就是定義了6個(gè)終端：
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
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的圖形方式用戶來說，他們的登錄是通過一個(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式登錄的情況：
當(dāng)我們看到mingetty的登錄界面時(shí)，我們就可以輸入用戶名和密碼來登錄系統(tǒng)了。
Linux的賬號(hào)驗(yàn)證程序是login，login會(huì)接收mingetty傳來的用戶名作為用戶名參數(shù)。然后login會(huì)對(duì)用戶名進(jìn)行分析：如果用戶名不是root，且存在/etc/nologin文件，login將輸出nologin文件的內(nèi)容，然后退出。這通常用來系統(tǒng)維護(hù)時(shí)防止非root用戶登錄。只有/etc/securetty中登記了的終端才允許root用戶登錄，如果不存在這個(gè)文件，則root可以在任何終端上登錄。/etc /usertty文件用于對(duì)用戶作出附加訪問限制，如果不存在這個(gè)文件，則沒有其他限制。
在分析完用戶名后，login將搜索/etc/passwd以及/etc/shadow來驗(yàn)證密碼以及設(shè)置賬戶的其它信息，比如：主目錄是什么、使用何種shell。如果沒有指定主目錄，將默認(rèn)為根目錄；如果沒有指定shell，將默認(rèn)為/bin/bash。
login程序成功后，會(huì)向?qū)?yīng)的終端在輸出最近一次登錄的信息(在/var/log/lastlog中有記錄)，并檢查用戶是否有新郵件(在/usr /spool/mail/的對(duì)應(yīng)用戶名目錄下)。然后開始設(shè)置各種環(huán)境變量：對(duì)于bash來說，系統(tǒng)首先尋找/etc/profile腳本文件，并執(zhí)行它；然后如果用戶的主目錄中存在.bash_profile文件，就執(zhí)行它，在這些文件中又可能調(diào)用了其它配置文件，所有的配置文件執(zhí)行后后，各種環(huán)境變量也設(shè)好了，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)大家熟悉的命令行提示符，到此整個(gè)啟動(dòng)過程就結(jié)束了。
希望通過上面對(duì)Linux啟動(dòng)過程的剖析能幫助那些想深入學(xué)習(xí)Linux用戶建立一個(gè)相關(guān)Linux啟動(dòng)過程的清晰概念，進(jìn)而可以進(jìn)一步研究Linux接下來是如何工作的。
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