网站开发PHP程序员招聘,免费作图网站,佛山北京网站建设公司,注册公司邮箱需要什么[原创]Linux系统启动过程分析-wjlkoorey258-ChinaUnix博客http://blog.chinaunix.net/uid-23069658-id-3142047.html经过对Linux系统有了一定了解和熟悉后#xff0c;想对其更深层次的东西做进一步探究。这当中就包括系统的启动流程、文件系统的组成结构、基于动态库和静态库的…[原创]Linux系统启动过程分析-wjlkoorey258-ChinaUnix博客http://blog.chinaunix.net/uid-23069658-id-3142047.html经过对Linux系统有了一定了解和熟悉后想对其更深层次的东西做进一步探究。这当中就包括系统的启动流程、文件系统的组成结构、基于动态库和静态库的程序在执行时的异同、协议栈的架构和原理、驱动程序的机制等等。本人在综合了现有网上大家智慧的基础上结合对2.6.32的内核代码的研读基于CentOS 6.0系统对Linux的启动流程做了些分析。由于才疏学浅知识所限有些地方分析不妥之处还请各位高手不吝赐教。OK我们言归正传。对于一台安装了Linux系统的主机来说当用户按下开机按钮时一共要经历以下几个过程如图其中每个过程都执行了自己该做的初始化部分的事情有些过程又可分为好几个子过程。接下来我们就对每个阶段做一个详细分析和讲解。BIOS自检稍有计算机基础的人都应该听过BIOS(Basic Input / Output System)又称基本输入输出系统可以视为是一个永久地记录在ROM中的一个软件是操作系统输入输出管理系统的一部分。早期的BIOS芯片确实是只读的里面的内容是用一种烧录器写入的一旦写入就不能更改除非更换芯片。现在的主机板都使用一种叫Flash EPROM的芯片来存储系统BIOS里面的内容可通过使用主板厂商提供的擦写程序擦除后重新写入这样就给用户升级BIOS提供了极大的方便。BIOS的功能由两部分组成分别是POST码和Runtime服务。POST阶段完成后它将从存储器中被清除而Runtime服务会被一直保留用于目标操作系统的启动。BIOS两个阶段所做的详细工作如下步骤1上电自检POST(Power-on self test)主要负责检测系统外围关键设备(如CPU、内存、显卡、I/O、键盘鼠标等)是否正常。例如最常见的是内存松动的情况BIOS自检阶段会报错系统就无法启动起来步骤2步骤1成功后便会执行一段小程序用来枚举本地设备并对其初始化。这一步主要是根据我们在BIOS中设置的系统启动顺序来搜索用于启动系统的驱动器如硬盘、光盘、U盘、软盘和网络等。我们以硬盘启动为例BIOS此时去读取硬盘驱动器的第一个扇区(MBR512字节)然后执行里面的代码。实际上这里BIOS并不关心启动设备第一个扇区中是什么内容它只是负责读取该扇区内容、并执行。至此BIOS的任务就完成了此后将系统启动的控制权移交到MBR部分的代码。PS: 在个人电脑中Linux的启动是从0xFFFF0地址开始的。系统引导我们首先来了解一下MBR它是Master Boot Record的缩写。硬盘的0柱面、0磁头、1扇区称为主引导扇区。它由三个部分组成主引导程序(Bootloader)、 硬盘分区表DPT(Disk Partition table)和硬盘有效标志(55AA)其结构图如下所示磁盘分区表包含以下三部分1)、Partition ID (5延申 82Swap 83Linux 8eLVM fdRAID)2)、Partition起始磁柱3)、Partition的磁柱数量通常情况下诸如lilo、grub这些常见的引导程序都直接安装在MBR中。我们以grub为例来分析这个引导过程。grub引导也分为两个阶段stage1阶段和stage2阶段(有些较新的grub又定义了stage1.5阶段)。1)、stage1stage1是直接被写入到MBR中去的这样机器一启动检测完硬件后就将控制权交给了GRUB的代码。也就是上图所看到的前446个字节空间中存放的是stage1的代码。BIOS将stage1载入内存中0x7c00处并跳转执行。stage1(/stage1/start.S)的任务非常单纯仅仅是将硬盘0头0道2扇区读入内存。而0头0道2扇区内容是源代码中的/stage2/start.S编译后512字节它是stage2或者stage1_5的入口。而此时stage1是没有识别文件系统的能力的。如果感觉脑子有些晕了那么下面的过程就直接跳过去看stage2吧【外传】定位硬盘的0头0道2扇区的过程BIOS将stage1载入内存0x7c00处并执行然后调用BIOS INIT13中断将硬盘0头0道2扇区内容载入内存0x7000处然后调用copy_buffer将其转移到内存0x8000处。在定位0头0道2扇区时通常有两种寻址方式LBA和CHS。如果你是刨根问底儿型的爱好者那么此时去找谷哥打听打听这两种方式的来龙去脉吧。2)、stage2严格来说这里还应该再区分个stage1.5的就一并把stage1.5放在这里一起介绍了免得大家看得心里乱哄哄的。好的我们继续说0头0到2扇区的/stage2/start.S文件当它的内容被读入到内存之后它的主要作用就是负责将stage2或stage1.5从硬盘读到内存中。如果是stage2它将被载入到0x820处如果是stage1.5它将被载入到0x2200处。这里的stage2或者stage1_5不是/boot分区/boot/grub目录下的文件因为这个时候grub还没有能力识别任何文件系统。? 如果start.S加载stage1.5stage1.5它存放在硬盘0头0道3扇区向后的位置stage1_5作为stage1和stage2中间的桥梁stage1_5有识别文件系统的能力此后grub才有能力去访问/boot分区/boot/grub目录下的 stage2文件将stage2载入内存并执行。? 如果start.S加载stage2同样这个stage2也不是/boot分区/boot/grub目录下的stage2这个时候start.S读取的是存放在/boot分区Boot Sector的stage2。这种情况下就有一个限制因为start.S通过BIOS中断方式直接对硬盘寻址(而非通过访问具体的文件系统)其寻址范围有限限制在8GB以内。因此这种情况需要将/boot分区分在硬盘8GB寻址空间之前。假如是情形2我们将/boot/grub目录下的内容清空依然能成功启动grub假如是情形1将/boot/grub目录下stage2删除后则系统启动过程中grub会启动失败。启动内核当stage2被载入内存执行时它首先会去解析grub的配置文件/boot/grub/grub.conf然后加载内核镜像到内存中并将控制权转交给内核。而内核会立即初始化系统中各设备并做相关的配置工作其中包括CPU、I/O、存储设备等。关于Linux的设备驱动程序的加载有一部分驱动程序直接被编译进内核镜像中另一部分驱动程序则是以模块的形式放在initrd(ramdisk)中。Linux内核需要适应多种不同的硬件架构但是将所有的硬件驱动编入内核又是不实际的而且内核也不可能每新出一种硬件结构就将该硬件的设备驱动写入内核。实际上Linux的内核镜像仅是包含了基本的硬件驱动在系统安装过程中会检测系统硬件信息根据安装信息和系统硬件信息将一部分设备驱动写入 initrd 。这样在以后启动系统时一部分设备驱动就放在initrd中来加载。这里有必要给大家再多介绍一下initrd这个东东initrd 的英文含义是 bootloader initialized RAM disk就是由 boot loader 初始化的内存盘。在 linu2.6内核启动前boot loader 会将存储介质中的 initrd 文件加载到内存内核启动时会在访问真正的根文件系统前先访问该内存中的 initrd 文件系统。在 boot loader 配置了 initrd 的情况下内核启动被分成了两个阶段第一阶段先执行 initrd 文件系统中的init完成加载驱动模块等任务第二阶段才会执行真正的根文件系统中的 /sbin/init 进程。另外一个概念initramfsinitramfs 是在 kernel 2.5中引入的技术实际上它的含义就是在内核镜像中附加一个cpio包这个cpio包中包含了一个小型的文件系统当内核启动时内核将这个 cpio包解开并且将其中包含的文件系统释放到rootfs中内核中的一部分初始化代码会放到这个文件系统中作为用户层进程来执行。这样带来的明显的好处是精简了内核的初始化代码而且使得内核的初始化过程更容易定制。疑惑的是我的内核是2.6.32-71.el6.i686版本但在我的/boot分区下面却存在的是/boot/initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img类型的文件没搞明白还望高人解惑。我只知道在2.6内核中支持两种格式的initrd一种是2.4内核的文件系统镜像image-initrd一种是cpio格式。接下来我们就来探究一下initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img里到底放了那些东西。在tmp文件夹中解压initrd.img里的内容如果initrd.img文件的格式显示为“initrd.img:ISO 9660 CD-ROM filesystem data”则可直接输入命令“mount -o loop initrd.img /mnt/test”进行挂载。通过上的分析和我们的验证我们确实得到了这样的结论grub的stage2将initrd加载到内存里让后将其中的内容释放到内容中内核便去执行initrd中的init脚本这时内核将控制权交给了init文件处理。我们简单浏览一下init脚本的内容发现它也主要是加载各种存储介质相关的设备驱动程序。当所需的驱动程序加载完后会创建一个根设备然后将根文件系统rootfs以只读的方式挂载。这一步结束后释放未使用的内存转换到真正的根文件系统上面去同时运行/sbin/init程序执行系统的1号进程。此后系统的控制权就全权交给/sbin/init进程了。l 初始化系统经过千辛万苦的跋涉我们终于接近黎明的曙光了。接下来就是最后一步了初始化系统。/sbin/init进程是系统其他所有进程的父进程当它接管了系统的控制权先之后它首先会去读取/etc/inittab文件来执行相应的脚本进行系统初始化如设置键盘、字体装载模块设置网络等。主要包括以下工作1)、执行系统初始化脚本(/etc/rc.d/rc.sysinit)对系统进行基本的配置以读写方式挂载根文件系统及其它文件系统到此系统算是基本运行起来了后面需要进行运行级别的确定及相应服务的启动。rc.sysinit所做的事情(不同的Linux发行版该文件可能有些差异)如下(1)获取网络环境与主机类型。首先会读取网络环境设置文件/etc/sysconfig/network获取主机名称与默认网关等网络环境。(2)测试与载入内存设备/proc及usb设备/sys。除了/proc外系统会主动检测是否有usb设备并主动加载usb驱动尝试载入usb文件系统。(3)决定是否启动SELinux。(4)接口设备的检测与即插即用(pnp)参数的测试。(5)用户自定义模块的加载。用户可以再/etc/sysconfig/modules/*.modules加入自定义的模块此时会加载到系统中。(6)加载核心的相关设置。按/etc/sysctl.conf这个文件的设置值配置功能。(7)设置系统时间(clock)。(8)设置终端的控制台的字形。(9)设置raid及LVM等硬盘功能。(10)以方式查看检验磁盘文件系统。(11)进行磁盘配额quota的转换。(12)重新以读取模式载入系统磁盘。(13)启动quota功能。(14)启动系统随机数设备(产生随机数功能)。(15)清楚启动过程中的临时文件。(16)将启动信息加载到/var/log/dmesg文件中。当/etc/rc.d/rc.sysinit执行完后系统就可以顺利工作了只是还需要启动系统所需要的各种服务这样主机才可以提供相关的网络和主机功能因此便会执行下面的脚本。2)、执行/etc/rc.d/rc脚本。该文件定义了服务启动的顺序是先K后S而具体的每个运行级别的服务状态是放在/etc/rc.d/rc*.d(*0~6)目录下所有的文件均是指向/etc/init.d下相应文件的符号链接。rc.sysinit通过分析/etc/inittab文件来确定系统的启动级别然后才去执行/etc/rc.d/rc*.d下的文件。/etc/init.d- /etc/rc.d/init.d/etc/rc -/etc/rc.d/rc/etc/rc*.d -/etc/rc.d/rc*.d/etc/rc.local- /etc/rc.d/rc.local/etc/rc.sysinit- /etc/rc.d/rc.sysinit也就是说/etc目录下的init.d、rc、rc*.d、rc.local和rc.sysinit均是指向/etc/rc.d目录下相应文件和文件夹的符号链接。我们以启动级别3为例来简要说明一下。/etc/rc.d/rc3.d目录该目录下的内容全部都是以 S 或 K 开头的链接文件都链接到/etc/rc.d/init.d目录下的各种shell脚本。S表示的是启动时需要start的服务内容K表示关机时需要关闭的服务内容。/etc/rc.d/rc*.d中的系统服务会在系统后台启动如果要对某个运行级别中的服务进行更具体的定制通过chkconfig命令来操作或者通过setup、ntsys、system-config-services来进行定制。如果我们需要自己增加启动的内容可以在init.d目录中增加相关的shell脚本然后在rc*.d目录中建立链接文件指向该shell脚本。这些shell脚本的启动或结束顺序是由S或K字母后面的数字决定数字越小的脚本越先执行。例如/etc/rc.d/rc3.d /S01sysstat就比/etc/rc.d/rc3.d /S99local先执行。3)、执行用户自定义引导程序/etc/rc.d/rc.local。其实当执行/etc/rc.d/rc3.d/S99local时它就是在执行/etc/rc.d/rc.local。S99local是指向rc.local的符号链接。就是一般来说自定义的程序不需要执行上面所说的繁琐的建立shell增加链接文件的步骤只需要将命令放在rc.local里面就可以了这个shell脚本就是保留给用户自定义启动内容的。4)、完成了系统所有的启动任务后linux会启动终端或X-Window来等待用户登录。tty1,tty2,tty3...这表示在运行等级1234的时候都会执行/sbin/mingetty而且执行了6个所以linux会有6个纯文本终端mingetty就是启动终端的命令。除了这6个之外还会执行/etc/X11/prefdm-nodaemon这个主要启动X-Window至此系统就启动完毕了。以上分析不到的地方还请各位大虾不吝指正。关于Linux的其他分析内容下次再继续写。最后附上一张非常完整的系统启动流程图适合各个水平阶段的读者。参考文献
