内容提要
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。
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): # # default runlevel. the runlevels used by rhs are: ###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit) l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0 ###在启动过程中允许按ctrl-alt-delete重启系统 # when our ups tells us power has failed, assume we have a few minutes # if power was restored before the shutdown kicked in, cancel it. ###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, ###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)
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。 |
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