Linux系统的引导过程.doc

6.2 Linux系统的引导过程Linux系统的引导和初始化过程可以分为两个阶段，如图6.3所示图6.3 Linux内核启动过程示意图第1阶段：完成硬件检测、初始化和内核的引导。第2阶段：主要是init初始化进程的执行。1BIOS自检计算机通电后，首先由BIOS进行自检，即所谓的POST（Power On Self Test），对硬件进行检测，然后BIOS 必须确定要使用哪个设备来引导系统，此时会根据CMOS中设置的引导顺序，搜索处于活动状态并可引导的设备（硬盘、CDROM、USB设备或软盘），当找到一个引导设备之后，从中读出引导块或MBR（MBR，Master Boot Record）。主引导记录MBR中包含主引导加载程序。MBR是一个512B大小的扇区，位于磁盘的第一个扇区中（0道0面1扇区）。当MBR被加载到RAM中之后，BIOS会把控制权交给MBR。注意，要看MBR的内容，可以执行如下命令：# dd if=/dev/hda of=mbr.bin bs=512 count=1/从/dev/hda上读取前512B的内容，将其写入mbr.bin文件中# od -xa mbr.bin/以十六进制和ASCII码格式打印这个二进制文件的内容MBR中的主引导加载程序是一个512B大小的映像，其中包含程序代码和一个分区表。前446B是主引导加载程序，其中包含可执行代码和错误消息文本。接下来的64B是分区表，其中包含4个分区的记录（每个记录的大小是16个字节）。MBR以两个特殊数字的字节（0xAA55）结束。这个数字会用来进行MBR的有效性检查。2启动GRUBGRUB是引导加载程序，会引导操作系统。当机器引导它的操作系统时，BIOS会读取引导介质上最前面的512字节（MBR，Master Boot Record）主引导加载程序（第一阶段的引导加载程序）的主要作用是查找并加载次引导加载程序，它是通过在分区表中查找一个活动分区来实现这种功能的。当找到一个活动分区时，会扫描分区表中的其它分区，以确保它们都不是活动的。当这个过程验证完成之后，就将活动分区的引导记录（第二阶段的引导加载程序）从这个设备中读到RAM中，并执行它。第二阶段的引导加载程序（次引导加载程序）可以更形象地称为内核加载程序。主要作用是将默认的内核映像和initrd映像加载到内存中。在PC环境中，第一阶段和第二阶段的引导加载程序一起称为GRand Unified Bootloader（GRUB）。在GRUB命令行环境中（启动电脑后，在GRUB界面中按C键进入），可以使用initrd映像引导一个特定的内核，方法如下：grub kernel (hd0,2)/ Possible files are: lost+found sys proc var tmp dev etc root selinux usr bin boot home lib media mnt opt sbin srv misc tftpboot .autofsck net cache_dbgrub kernel (hd0,2)/boot/vmlinuz-2.6.18-128.el5 Linux-bzImage, setup=0x1e00, size=0x1bbeb4grub initrd (hd0,2)/boot/initrd-2.6.18-128.el5.img Linux-initrd 0x2fd79000, 0x266c72 bytesgrub 当内核映像被加载到内存后，内核阶段就加开始了。3加载内核当内核映像被加载到内存中，并且阶段2的引导加载程序释放控制权之后，内核阶段就开始了。内核映像并不是一个可执行的内核，而是一个压缩过的内核映像。通常它是一个 zImage（压缩映像，小于512KB）或一个bzImage（较大的压缩映像，大于512KB）。在这个内核映像前面是一个例程，它实现少量硬件设置，并对内核映像中包含的内核进行解压，然后将其放入高端内存中，如果有初始RAM磁盘映像，就会将它移动到内存中，并标明以后使用。然后该例程会调用内核，并开始启动内核引导的过程。在内核引导过程中，初始RAM磁盘（initrd）是由次引导加载程序加载到内存中的，它会被复制到RAM中并挂载到系统上。这个initrd会作为RAM中的临时根文件系统使用，并允许内核在没有挂载任何物理磁盘的情况下完整地实现引导。由于与外围设备进行交互所需要的模块可能是initrd的一部分，因此内核可以非常小，但是仍然需要支持大量可能的硬件配置。在内核引导之后，就可以正式挂载根文件系统了，此时会将initrd根文件系统卸载掉，挂载真正的根文件系统。注意：在一个没有硬盘的嵌入式环境中，initrd可以是最终的根文件系统，或者通过网络文件系统（NFS）挂载最终的根文件系统。4执行init进程内核被载入内存，开始运行并初始化所有的设备驱动程序和数据结构等之后，内核将生成第一个进程init（实际上依次寻找/sbin/init、/etc/init、/bin/init或/bin/sh，将执行第一个找到的，如果这4个文件都不存在，将给出“No init found. Try passing init= option to kernel.错误提示，内核启动失败。详细分析见5.3节）。init进程是一个由内核启动的用户级进程，是系统上运行的所有其它进程的父进程，它会观察其子进程，并在需要的时候启动、停止、重启它们，主要用来完成系统的各项配置。该进程对于Linux系统的正常工作是非常重要的。init的主要工作是根据/etc/inittab文件来执行相应的脚本，进行系统的初始化，如设置键盘、字体、装载模块、设置网络等。所以，init进程执行的每一步都是由/etc/initab文件中的配置决定的，以下是RadHat的/etc/inittab文件的例子：# 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)/停机（不要把initdefault设置为0，否则开机之后就会自动关机 ）# 1 - Single user mode/单用户模式# 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not have networking)/多用户模式，但是没有NFS# 3 - Full multiuser mode/完全多用户模式# 4 - unused/没有使用# 5 - X11/X-windows模式# 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)/系统重新启动（不要把initdefault设置为6,否则开机之后就会重启 ）#id:5:initdefault: /该命令指出缺省的运行级别为5，即开机后进入X-window模式# System initialization.#系统启动之后自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本，当运行级别为5时，会以5为参数运行/etc/rc.d/rc 5脚本，# init进程将等待其返回（wait）si:sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinitl0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6# Trap CTRL-ALT-DELETE#在启动过程中如果按Crtl-Alt-Delete，将执行/sbin/shutdown -t3 -r now命令重启系统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.#如果系统有UPS电源，该行命令设定系统在掉电时提示“电源关闭，系统正在关闭”，并且在2min后自动关机pf:powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 Power Failure; System Shutting Down# If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.#如果工作电源恢复，该行命令提示“电源恢复，取消关机”，并且取消关机pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c Power Restored; Shutdown Cancelled# Run gettys in standard runlevels# init进程打开6个终端（虚拟控制台），以ttyn为参数执行/sbin/mingetty程序，打开ttyn终端用于用户登录1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty12:2345:respawn:/sbin/mingetty tty23:2345:respawn:/sbin/mingetty tty34:2345:respawn:/sbin/mingetty tty45:2345:respawn:/sbin/mingetty tty56:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6# 0:12345:respawn:/sbin/mingetty tty0 # 在15各个级别上以tty0为参数执行/sbin/mingetty程序，打开tty0终端用于用户登录，# 如果进程退出则再次运行mingetty程序 # Run xdm in runlevel 5#在级别5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）x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon/etc/inittab文件是以行为单位的描述性（非执行性）文本，每个指令行都具有以下格式：Id：runlevels：action：process从代码中可以看到，etc/inittab中语句的每一行包含4个域，格式如下。（1）id：是指入口标识符，它是一个字符串，是由两个独特的字元所组成的标识符，这个标识符在此文件中是唯一的。文件中的某些记录必须使用特定的id才能使系统工作正常。对于getty或mingetty等其它login程序项，要求id与tty的编号相同，否则getty程序不能正常工作。（2）runlevels：runlevels域给出的是本行的运行级别。运行级别会指出下一个操作域中的action以及process域会在哪些runlevels中被执行。而在正常的启动程序之后，root用户可以使用telinit这个指令来改变系统的runlevels。假定在Linux系统中runlevels的预设值是5，那么只有那些每一列中runlevel域的值为5时，后面的process才会被执行。所以，如果系统的runlevels值不同的话，所执行的process也不一样，所以系统启动时的资源配置情况，在不同的runlevels下会有差异。runlevels一般使用06以及S或s。0为shutdown；1为重启至单用户模式；2为无NFS支持的多用户模式；3是完全多用户模式（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；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，0、1、6运行级别被系统保留，使用2、3、4、5几个级别，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。runlevels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runlevels与当前的运行级别匹配才会执行。注意：运行级别1是单用户模式，所谓单用户指的是系统运行在唯一用户（超级用户）模式下。而多数情况下，系统运行在多用户模式下。在启动出错、文件系统出错等情况下，进入单用户模式，可以进行修复操作。（3）action：是指动作，指出init程序执行相应process的方式，取值及其含义见表6.5。表6.5 action取值及其含义动作说明initdefault指定缺省的运行级别（runlevel）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 runlevelsysinit指定运行的第一个程序/脚本，此时runlevels域不起作用boot在sysinit之后执行，runlevels域不起作用bootwait同boot，但init会等待该命令结束once在进入有runlevels指定的运行级别时运行wait同上，但init会等待该命令结束respawn在进入相应runlevel时执行，并且若该进程结束，init会再起一个进程执行同样的命令ctrlaltdel指定在用户按下Ctrl-Alt-Del时执行的命令注意：action为sysinit、boot、bootwait所对应的process，将在系统启动时无条件运行，会忽略其中的runlevel，其余的action（不含 initdefault）都与某个runlevel相关。（4）process：是指要执行的程序，程序后面可以带参数。5执行/etc/rc.d/rc.sysinit/etc/rc.d/rc.sysinit是init进程执行的第一个Shell脚本文件，是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。/etc/rc.d/rc.sysinit主要做在各个运行级别中相同的初始化工作，如下：（1）设置$PATH变量。（2）配置网络。（3）为虚拟内存启动交换。（4）设置系统的主机名。（5）检查根文件系统，以进行必要的修复。（6）检查根文件系统的配额。（7）为根文件系统打开用户和组的配额。（8）以读/写的方式重新装载根文件系统。（9）清除被装载的文件系统表/etc/matb。（10）把根文件系统输入到mtab。（11）使用系统为装入模块做准备。（12）查找模块的相关文件。（13）检查文件系统，以进行必要的修复。（14）检查并挂载文件系统。（15）清除/etc/mtab、/etc/fastboot和/etc/nologin。（16）删除UUCP的lock文件、删除过时的子系统文件、删除过时的pid文件。（17）设置系统时钟。（18）激活交换分区。（19）初始化串行端口。（20）装入模块。6执行/etc/rc.d/rcX.dKSrc.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：l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3这行表示以3为参数运行/etc/rc.d/rc，/etc/rc.d/rc是一个Shell脚本，它接受3作为参数，去执行/etc/rc.d/rc3.d/目录下的所有的rc启动脚本，/etc/rc.d/rc3.d/目录中的这些启动脚本实际上都是一些链接文件，真正的rc启动脚本都放在/etc/rc.d/init.d/目录下。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。Linux Unix系统一般有两种不同的初始化启动方式。 BSD system init System V system init大多数发行版的Linux都使用了与System V system init相仿的的初始化启动方式，它比传统的BSD system init更容易使用而且更加灵活，Sys V init主要思想是定义了不同的运行级别（runlevel）。通过配置文件/etc/inittab，定义了系统引导时的运行级别，进入或者切换到一个运行级别时做什么。对于每一个运行级别，在/etc/rc.d目录中都有一个对应的下级目录/etc/rc.d/rcX.d（X表示运行级别06），其中X就是代表运行级别的数字。在各个运行级别的子目录中，都建立有到/etc/rc.d/init.d子目录中命令脚本文件的符号链接，每个脚本对应一项服务程序。链接的名称中，在K或S后有一个数字，表示执行顺序，数字小的先执行。以S开头的，表示start，以S开头的脚本执行时，系统会传递start参数；以K开头的，表示stop，以K开头的脚本执行时，系统会传递stop参数。这就使得init可以启动和停止服务。事实上，可以通过手动执行来启动或停止相关服务，例如，可以执行下面的命令来启动和停止Samba服务器。# /etc/rc.d/init.d/smb start/启动Samba服务器# /etc/rc.d/init.d/smb stop/停止Samba服务器假如系统启动进入运行级别3，/etc/rc.d/rc3.d目录下所有以S开头的文件（用来启动一个服务）将被依次执行；当关闭系统，离开运行级别3之前，/etc/rc.d/rc3.d目录下所有以K开头的文件（用来关闭一个服务）将被依次执行。当使用init命令改变运行级别时，所有相关的守护进程都将重启，即先K后S。至于在每个运行级中运行哪些守护进程，可以通过chkconfig命令或setup命令（出现的界面中选择System Services）来自行设定。例如，rc3.d便是runlevel 3的脚本存放的目录。rcX.d中的脚本并不是各自独立的，其实它们都通过符号链接连接到/etc/rc.d/init.d中的脚本。rootlocalhost Desktop# ll /etc/rc.d/rc3.d/S9* /省略lrwxrwxrwx 1 root root 15 04-01 21:03 /etc/rc.d/rc3.d/S90crond - ./init.d/crondlrwxrwxrwx 1 root root 13 04-01 21:11 /etc/rc.d/rc3.d/S90xfs - ./init.d/xfslrwxrwxrwx 1 root root 17 04-01 21:01 /etc/rc.d/rc3.d/S95anacron - ./init.d/anacronlrwxrwxrwx 1 root root 13 04-01 21:04 /etc/rc.d/rc3.d/S95atd - ./init.d/atdlrwxrwxrwx 1 root root 22 04-01 21:12 /etc/rc.d/rc3.d/S97yum-updatesd - ./init.d/yum-updatesdlrwxrwxrwx 1 root root 22 04-01 21:11 /etc/rc.d/rc3.d/S98avahi-daemon - ./init.d/avahi-daemonlrwxrwxrwx 1 root root 19 04-01 21:11 /etc/rc.d/rc3.d/S98haldaemon - ./init.d/haldaemonlrwxrwxrwx 1 root root 19 04-01 21:12 /etc/rc.d/rc3.d/S99firstboot - ./init.d/firstbootlrwxrwxrwx 1 root root 11 04-01 21:03 /etc/rc.d/rc3.d/S99local - ./rc.local /即，/etc/rc.d/rc.locallrwxrwxrwx 1 root root 16 04-01 21:05 /etc/rc.d/rc3.d/S99smartd - ./init.d/smartdrootlocalhost Desktop# ll /etc/rc.d/init.d/ /省略-rwxr-xr-x 1 root root 2740 01-21 16:42 smartd-rwxr-xr-x 1 root root 2145 01-21 18:48 smb-rwxr-xr-x 1 root root 1575 01-21 14:35 spamassassin-rwxr-xr-x 1 root root 3964 01-21 12:15 squid-rwxr-xr-x 1 root root 3362 03-04 02:08 sshd-rwxr-xr-x 1 root root 2043 2008-05-25 syslog-rwxr-xr-x 1 root root 2796 2007-01-07 tux-rwxr-xr-x 1 root root 2051 01-21 15:16 vncserver-rwxr-xr-x 1 root root 1778 2008-05-25 vsftpd-rwxr-xr-x 1 root root 2008 02-26 18:20 wdaemon-rwxr-xr-x 1 root root 1559 01-21 18:48 winbind-rwxr-xr-x 1 root root 1634 01-21 19:08 wpa_supplicant-rwxr-xr-x 1 root root 3902 2007-07-12 xfs-rwxr-xr-x 1 root root 2497 2007-03-15 xinetd-rwxr-xr-x 1 root root 3518 01-21 16:36 ypbind-rwxr-xr-x 1 root root 1498 2008-05-25 yum-updatesd-rwxr-xr-x 1 root root 1114 2007-11-11 zebra注意： /etc/rc.d/rc.local脚本文件的执行。Redhat中运行级别2、3、5都把/etc/rc.d/rc.local作为初始化脚本中的最后一个文件。即，/etc/rc.d/rc.local是init进程执行的最后一个脚本文件，所以用户可以在这个文件中添加一些需要在登录之前执行的命令，默认地，/etc/rc.d/rc.local会用使用系统的内核版本和机器类型创建一个登录标志。至此，rc进程执行完毕，系统环境已经设置好了，下面就该用户登录系统了。rootlocalhost Desktop# cat /etc/rc.d/rc.local#!/bin/sh# This script will be executed *after* all the other init scripts.# You can put your own initialization stuff in here if you dont# want to do the full Sys V style init stuff.touch /var/lock/subsys/local7getty和/bin/loginrc进程执行完毕后，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接下来会启动/sbin/mingetty来打开6个终端，以便用户登录系统。通过Alt+Fn（n为16）可在这6个终端之间切换