剖析Linux系统启动过程

tiger001

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。中国研究生网@[1]u?W:l
中国研究生网 H$Kw$l a ]5R
　 　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：
P
o|1jp­~F‑T0中国研究生网IAv|Zo
　 　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。
4c"\6hq.\‑D+p
z z0
.F$TR$ve0


  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  




file:///C:/DOCUME%7E1/YEHONG%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msoclip1/01/clip_image002.jpg
8Cx
Q8X-a%v*[0中国研究生网#e+c,a4oC
下面就将逐一介绍其中几个关键的部分：
tR LT­J
x*W-Y0中国研究生网‑@#roZe7T2F
中国研究生网 ZJ"Wrclw"X
中国研究生网t7i:B]^ K!o:T wX
　　第一部分：内核的引导(核内引导)中国研究生网Ar R'P
k%W
中国研究生网-l$v3k/Tv2n~8T
\H
　 　Red Hat9.0可以使用lilo或grub等引导程序开始引导Linux系统，当引导程序成功完成引导任务后，Linux从它们手中接管了CPU的控制权， 然后CPU就开始执行Linux的核心映象代码，开始了Linux启动过程。这里使用了几个汇编程序来引导Linux，这一步泛及到Linux源代码树中 的“arch/i386/boot”下的这几个文件：bootsect.S、setup.S、video.S等。
[1]r%d%_
}[1]x$OnR0中国研究生网oG%^
I+^{7v@L
　 　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。中国研究生网9Z4p\/x(?H[1]gW5[
m$ZV-W_^Z
e(E!m0　　那么0x100000这个内存地址中存放的是什么代码？而这些代码又是从何而来的呢？中国研究生网!U-scA
Po H6r
中国研究生网#L+L
W#{#_'l}}
　 　0x100000这个内存地址存放的是解压后的内核，因为Red Hat提供的内核包含了众多驱动和功能而显得比较大，所以在内核编译中使用了“makebzImage”方式，从而生成压缩过的内核，在RedHat中内 核常常被命名为vmlinuz，在Linux的最初引导过程中，是通过"arch/i386/boot/compressed/"中的head.S利用 misc.c中定义的decompress_kernel()函数，将内核vmlinuz解压到0x100000的。
当CPU跳到0x100000时，将执行
"arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32，它也是vmlinux的入口，然后就跳转到start_kernel() 中去了。start_kernel()是"init/main.c"中的定义的函数，start_kernel()中调用了一系列初始化函数，以完成 kernel本身的设置。start_kernel()函数中，做了大量的
工作
来建立基本的Linux核心环境。如果顺利执行完start_kernel()，则基本的Linux核心环境已经建立起来了。中国研究生网-{[%@X'N‑i3Et
\+k*Rwv0　 　在start_kernel()的最后，通过调用init()函数，系统创建第一个核心线程，启动了init过程。而核心线程init()主要是来进行 一些外设初始化的工作的，包括调用do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化。并完成文件系统初始化和root文件系统的安 装。
­bid'd._~|._0k0
Y2N(N v4J"Mf,R‑K0　 　当do_basic_setup()函数返回init()，init()又打开了/dev/console设备，重定向三个标准的输入输出文件 stdin、stdout和stderr到控制台，最后，搜索文件系统中的init程序（或者由init=命令行参数指定的程序），并使用 execve()系统调用加载执行init程序。到此init()函数结束，内核的引导部分也到此结束了。中国研究生网Z LW­J
_\$l
中国研究生网/d"a6@r|­z
N
第二部分：运行init 中国研究生网
U4As7s:~W_
mah
Q
init的进程号是1，从这一点就能看出，init进程是系统所有 进程的起点，Linux在完成核内引导以后，就开始运行init程序，。init程序需要读取配置文件/etc/inittab。inittab是一个不 可执行的文本文件，它有若干行指令所组成。在Redhat系统中，inittab的内容如下所示(以“###"开始的中注释为笔者增加的)：中国研究生网[1]H[
CRTvG`
中国研究生网S­]G
H%H7J
Yb[1]^!|
　　#
‑T8Z
T/@Z Sm‑z|.`0　　# inittab  
  This file describes how the INIT process should set up中国研究生网m.?­V1Q%HL)|B3t
　　#   
      the system in a certain run-level.
7Y[1]`X1u-S!G'?
V9Y6Bp0　　#
_[i3r
Ns Q!{-@#G0　　# Author:  
  Miquel van Smoorenburg,
miquels@drinkel.nl.mugnet.org
>中国研究生网
wiI Z(tX
　　#   
      Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes中国研究生网)'U6y,E1y'Uw0C*P@
　　#
,[*x[/x']^;z6B0中国研究生网^[1]m]x b_
　　# Default runlevel.
The runlevels used by RHS are:
oPo3Z_1`6U[2\
g0　　#   0 - halt (Do NOT set initdefault to this)中国研究生网/rhN4G V][1]e
t
　　#   1 - Single
user mode中国研究生网%Tr%W
v9AI‑^;t
　　#   2 -
Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)中国研究生网(v+v!Gs/s i$W
　　#   3 - Full
multiuser mode中国研究生网(I8@f;@"I"|­J
　　#   4 - unused
u?y8t‑Y
g\
q&V0　　#   5 - X11中国研究生网T$bJ\/d6O'?
　　#   6 - reboot
(Do NOT set initdefault to this)
o
k,]-]9G F E,s
[8t A0　　#
[2U:^C,O^?,?6Z+U
{/v0　　###表示当前缺省运行级别为5(initdefault)；中国研究生网m
k0g0z gsml6L2m/T
　　id:5:initdefault:中国研究生网7A1Ok%B:o[1]|\#q!Q
e
###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)中国研究生网Vg.~cvz
　　# System
initialization.中国研究生网
C
bO7@_5{5O#G­v
　　si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit中国研究生网K~h+?:F(V*X5o8j
中国研究生网0mb/SXk
gU1O
　　l0:0:wait:/etc/rc.d/rc
0中国研究生网(h
P.r!@8s{4xlAE
　　l1:1:wait:/etc/rc.d/rc
1中国研究生网.q&n­H({7C
Jx"o9tN
　　l2:2:wait:/etc/rc.d/rc
2中国研究生网~i Na[1]IM
N'{
|
　　l3:3:wait:/etc/rc.d/rc
3
‑b#Z&Tamh9\0　　l4:4:wait:/etc/rc.d/rc
4
‑P!i8o:L
q9k ^\!~
a1o0　　###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)
yB8s(GGd A
xW­n0H0　　l5:5:wait:/etc/rc.d/rc
5
s
T
O(aO8)z3^0　　l6:6:wait:/etc/rc.d/rc
6
###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
F~.u(kTp:O­fZ0　　# Trap
CTRL-ALT-DELETE中国研究生网
cbm } F.\*G |
　　ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown
-t3 -r now中国研究生网4u7M@0K2b-W9SQ
中国研究生网n1]*I+?
w;a"p;`8L0}
　　# 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.
yJ:BX'n `/H0　　# This does, of
course, assume you have powerd installed and your
V­e)vqT
|8i"}-X0　　# UPS connected and
working correctly.中国研究生网4kaK"E
gf
　　pf::powerfail:/sbin/shutdown
-f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
# If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.中国研究生网|‑lh'u%mD8i/I'p4iM‑t
　　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，
v[3@re0　　###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)中国研究生网z W
[R
h ]
　　# Run gettys in
standard runlevels中国研究生网-t^&B[1]je
U1p c8{
　 　1:2345:respawn:/sbin/mingetty
tty1中国研究生网l
     2:2345:respawn:/sbin/mingetty
tty2中国研究生网"v/k H
    3:2345:respawn:/sbin/mingetty
tty3中国研究生网 N
_cI%q
　　4:2345:respawn:/sbin/mingetty
tty4中国研究生网tgfR"s
T
　　5:2345:respawn:/sbin/mingetty
tty5中国研究生网j0~l
W,C‑W4\$iS"u
　　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)中国研究生网1?­y-r-E!NX
　　# Run xdm in
runlevel 5中国研究生网-V‑|(G‑P3m
i6R
　　x:5:respawn:/etc/X11/prefdm
-nodaemon
C"`4W _
o1LZi()0中国研究生网,P;K:i/D%VPWf)u
　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：
FG/t j7_(U{6k0中国研究生网
Lp
S[
sr
中国研究生网8W*`z1j_
中国研究生网
C(iFd[1]xP-Ru-D9Et*nB|
　　id:runlevel:action:process中国研究生网G1Kc%c'f,~2V/Z
l9NJ­k @
O k3\ y[1]y
k0N0　　对上面各项的详细解释如下：中国研究生网9@#P7\)Mh‑Q
u
N7W j dE0gr
T/r-}0　　1. id中国研究生网
d"n qX‑W5C/k
C8E
oD2C0　　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。
7Ln­HF
h k&}.})P0
@,iypL5`!m0　　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：中国研究生网 pIJZZn‑id*Sv
D#CW6l
W
g6U pf0　 　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。
k0ov&M.Vd)B0
sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行，而忽略其中的runlevel。
'g_,t­BG­|ha
J0
Jy8[­J l
y
[:Uz
L0　　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中国研究生网Y,b j(s6Pt-I'` )S~.F
k3q`(U;T;x0　　process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。中国研究生网0z+dO,?
{j
\-p7`‑SW5v![R f
B:Y o0　　第三部分：系统初始化中国研究生网x]h DY
{+S }
o }[1]|q0F}
t0　　在init的配置文件中有这么一行：中国研究生网6m S$q{%Tj
F2j9rJ+?w:}
\(L0　　si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
e$O
HUg+e0
它调用执行了/etc/rc.d/rc.sysinit，而 rc.sysinit是一个bash shell的脚本，它主要是完成一些系统初始化的工作，rc.sysinit是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。它主要完成的工作有：激活交换分 区，检查磁盘，加载硬件模块以及其它一些需要优先执行任务。
rc.sysinit约有850多行，但是每个单一的功能还是比较简单，而且带有注释，建议有兴趣的用户可以自行阅读自己机器上的该文件，以了解系统初始化所详细情况。由于此文件较长，所以不在本文中列出来，也不做具体的介绍。
当rc.sysinit程序执行完毕后，将返回init继续下一步。
9Y#E%o'K&T,?
N1|0
2tc]#{
U4PTF k0第四部分：启动对应运行级别的守护进程
在rc.sysinit执行后，将返回init继续其它的动作，通常接下来会执行到/etc/rc.d/rc程序。以运行级别3为例，init将执行配置文件inittab中的以下这行：
­w/E4Zi­o'z#Q&q0
‑{.k$Q J*oPwO2TB0　　l5:5:wait:/etc/rc.d/rc
5中国研究生网q?"\"w/r
fZ*H;n#nD0　 　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。中国研究生网­e%X5h!Z-gn
中国研究生网 Q!o$`F,{zHC
l
　 　/etc/rc.d/rc5.d/中的rc启动脚本通常是K或S开头的链接文件，对于以以S开头的启动脚本，将以start参数来运行。而如果发现存在 相应的脚本也存在K打头的链接，而且已经处于运行态了(以/var/lock/subsys/下的文件作为标志)，则将首先以stop为参数停止这些已经 启动了的守护进程，然后再重新运行。这样做是为了保证是当init改变运行级别时，所有相关的守护进程都将重启。中国研究生网C
bo[1]U‑z+I
G
)Skh2_ }9w[1]^]0　　至于在每个运行级中将运行哪些守护进程，用户可以通过chkconfig或setup中的"System
Services"来自行设定。常见的守护进程有：
amd：自动安装NFS守护进程中国研究生网.H x9v
V3@5yMa6O3R m
　　apmd:高级电源管理守护进程中国研究生网 s&Z'_V1D2}
　　arpwatch：记录日志并构建一个在LAN接口上看到的以太网地址和IP地址对数据库
#T]%V]x.y\&s%d0　　autofs：自动安装管理进程automount，与NFS相关，依赖于NIS
:YTxRNW-h0　　crond：Linux下的计划任务的守护进程
    named：DNS服务器中国研究生网
P~6D0k?n:d
　　netfs：安装NFS、Samba和NetWare网络文件系统中国研究生网
Z2N­OKR4s.S
] xC
　　network：激活已配置网络接口的脚本程序中国研究生网
P
T[g\
G1g
　　nfs：打开NFS服务中国研究生网2[
i^f[­Ha(^7s
　　portmap：RPC portmap管理器，它管理基于RPC服务的连接中国研究生网 tj"p_­M8_P
　　sendmail：邮件服务器sendmail中国研究生网+)_ h7E*t‑DCY
　　smb：Samba文件共享/打印服务
]~e$d]a$f'Z[1]T|g!L'S0　　syslog：一个让系统引导时起动syslog和klogd系统日志守候进程的脚本中国研究生网ug"N r
N2m
　　xfs：X Window字型服务器，为本地和远程X服务器提供字型集
H*P!|2Ba"E$]4C%e
g0　　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。中国研究生网(M+@o^8g^%N
Q(m Qu2P&)2U6f0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中国研究生网%M4{:fh(q
^f?$Y
　　2:2345:respawn:/sbin/mingetty
tty2中国研究生网%C
T
I;Yx
h(t
a'~
　　3:2345:respawn:/sbin/mingetty
tty3中国研究生网`o!vdL T
　　4:2345:respawn:/sbin/mingetty
tty4
\9E6u4M lIj
s&q0　　5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
q;dm{6Q G;?c0　　6:2345:respawn:/sbin/mingetty
tty6
从上面可以看出在2、3、4、5的运行级别中都将以respawn 方式运行mingetty程序，mingetty程序能打开终端、设置模式。同时它会显示一个文本登录界面，这个界面就是我们经常看到的登录界面，在这个 登录界面中会提示用户输入用户名，而用户输入的用户将作为参数传给login程序来验证用户的身份。
第六部分：登录系统，启动完成
8B:_b3g@0
-C1g6mC
y!?2q r ]_0　　对于运行级别为5的图形方式用户来说，他们的登录是通过一个图形化的登录界面。登录成功后可以直接进入KDE、Gnome等窗口管理器。而本文主要讲的还是文本方式登录的情况：
当我们看到mingetty的登录界面时，我们就可以输入用户名和密码来登录系统了。
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f9D0中国研究生网u4CD
CX8j[1]u
　 　Linux的账号验证程序是login，login会接收mingetty传来的用户名作为用户名参数。然后login会对用户名进行分析：如果用户名 不是root，且存在/etc/nologin文件，login将输出nologin文件的内容，然后退出。这通常用来系统维护时防止非root用户登 录。只有/etc/securetty中登记了的终端才允许root用户登录，如果不存在这个文件，则root可以在任何终端上登录。 /etc/usertty文件用于对用户作出附加访问限制，如果不存在这个文件，则没有其他限制。
在分析完用户名后，login将搜索/etc/passwd以及/etc/shadow来验证密码以及设置账户的其它信息，比如：主目录是什么、使用何种shell。如果没有指定主目录，将默认为根目录；如果没有指定shell，将默认为/bin/bash。
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L5c0
0f3[Q0^ t0　 　login程序成功后，会向对应的终端在输出最近一次登录的信息(在/var/log/lastlog中有记录)，并检查用户是否有新邮件(在 /usr/spool/mail/的对应用户名目录下)。然后开始设置各种环境变量：对于bash来说，系统首先寻找/etc/profile脚本文件， 并执行它；然后如果用户的主目录中存在.bash_profile文件，就执行它，在这些文件中又可能调用了其它配置文件，所有的配置文件执行后后，各种 环境变量也设好了，这时会出现大家熟悉的命令行提示符，到此整个启动过程就结束了。
L[1]_6i6HR1Wh7K0中国研究生网p]H6`T8PDF
　　希望通过上面对Linux启动过程的剖析能帮助那些想深入学习Linux用户建立一个相关Linux启动过程的清晰概念，进而可以进一步研究Linux接下来是如何工作的。中国研究生网*sc&RD$Q
u中国研究生网&`y~#@ q8e3qaoww[1]M;N)w?‑l"L2L(a5x
h#Y'V j0中国研究生网#l I8COD+M
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Z*c\FyK1q0中国研究生网*n(o
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