详解Linux系统启动过程

  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”

离开你的那一天开始,左心房渐渐停止跳动…

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