Linux系统分析之启动流程

 

第一部分：内核的引导(核内引导)

启动设备使用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，这一步涉及到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。

 

0x100000这个内存地址存放的是解压后的内核，因为RedHat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（也有类似initrd-2.6.11.12.img这样的命名）。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。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kernelthread()函数，系统创建第一个核心线程init()，自身调用cpu_idle(NULL)休息。核心线程init()主要是来进行一些外设初始化的工作的，包括缓存区管理初始化（fs/buffer.c），虚拟内存管理初始化（mm/vmscan.c），文件系统初始化（fs/filesystems.c）和root文件系统的安装，调用do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的初始化。

 

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，init进程从内核态切换到用户态（进程号1），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，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()的最后一行）。init程序读取并执行配置文件/etc/inittab。

 

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。

 

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：

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，它接受数字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。当然，/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。

 

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（定义在/etc/inittab中），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。

 

第六部分：登录系统，启动完成

Login程序会接收终端程序传来的用户名作为用户名参数，并进行分析。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。