2022年剖析Linux系统启动过程 .pdf

转帖 剖析 Linux 系统启动过程剖析 Linux 系统启动过程图片：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，大家可以参考上图：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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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 0 x100000 。那么 0 x100000 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？0 x100000 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 0 x100000 的。当 CPU跳到 0 x100000 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 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - # 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06 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（ /d名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - ev/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。 79 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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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init名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - tab 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，会向对应的终端名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -