Linux启动过程综述

2001 年 5 月 01 日

本文以Redhat 6.0 Linux 2.2.19 for Alpha/AXP为平台，描述了从开机到登录的 Linux 启动全过程。该文对i386平台同样适用。

Bootloader

在Alpha/AXP平台上引导Linux通常有两种方法，一种是由MILO及其他类似的引导程序引 导，另一种是由Firmware直接引导。MILO功能与i386平台的LILO相近，但内置有基本的磁盘 驱动程序（如IDE、SCSI等），以及常见的文件系统驱动程序（如ext2，iso9660等）， firmware有ARC、SRM两种形式，ARC具有类BIOS界面，甚至还有多重引导的设置；而SRM则具 有功能强大的命令行界面，用户可以在控制台上使用boot等命令引导系统。ARC有分区 （Partition）的概念，因此可以访问到分区的首扇区；而SRM只能将控制转给磁盘的首扇区。 两种firmware都可以通过引导MILO来引导Linux，也可以直接引导Linux的引导代码。

“arch/alpha/boot”下就是制作Linux Bootloader的文件。“head.S”文件提供了对 OSF PAL/1的调用入口，它将被编译后置于引导扇区（ARC的分区首扇区或SRM的磁盘0扇区）， 得到控制后初始化一些数据结构，再将控制转给“main.c”中的start_kernel()， start_kernel()向控制台输出一些提示，调用pal_init()初始化PAL代码，调用openboot() 打开引导设备（通过读取Firmware环境），调用load()将核心代码加载到START_ADDR（见 “include/asm-alpha/system.h”），再将Firmware中的核心引导参数加载到ZERO_PAGE(0) 中，最后调用runkernel()将控制转给0x100000的kernel，bootloader部分结束。

Bootloader中使用的所有“srm_”函数在“arch/alpha/lib/”中定义。

以上这种Boot方式是一种最简单的方式，即不需其他工具就能引导Kernel，前提是按照 Makefile的指导，生成bootimage文件，内含以上提到的bootloader以及vmlinux，然后将 bootimage写入自磁盘引导扇区始的位置中。

当采用MILO这样的引导程序来引导Linux时，不需要上面所说的Bootloader，而只需要 vmlinux或vmlinux.gz，引导程序会主动解压加载内核到0x1000（小内核）或0x100000（大 内核），并直接进入内核引导部分，即本文的第二节。

对于I386平台 
i386系统中一般都有BIOS做最初的引导工作，那就是将四个主分区表中的第一个可引导 分区的第一个扇区加载到实模式地址0x7c00上，然后将控制转交给它。

在“arch/i386/boot”目录下，bootsect.S是生成引导扇区的汇编源码，它首先将自己 拷贝到0x90000上，然后将紧接其后的setup部分（第二扇区）拷贝到0x90200，将真正的内核 代码拷贝到0x100000。以上这些拷贝动作都是以bootsect.S、setup.S以及vmlinux在磁盘上 连续存放为前提的，也就是说，我们的bzImage文件或者zImage文件是按照bootsect，setup， vmlinux这样的顺序组织，并存放于始于引导分区的首扇区的连续磁盘扇区之中。

bootsect.S完成加载动作后，就直接跳转到0x90200，这里正是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 0x90000-0x901FF内存中，这个地方正是bootsect.S存放的地方，这时它将被系统参数覆盖。 以后这些参数将由保护模式下的代码来读取。

除此之外，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（对于bzImage格式的大内核是 0x100000，对于zImage格式的是0x1000）的内核引导代码，Bootloader过程结束。

对于2.4.x版内核 
没有什么变化。

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Kernel引导入口

对于I386平台 
在i386体系结构中，因为i386本身的问题，在"arch/alpha/kernel/head.S"中需要更多的设置，但最终也是通过call SYMBOL_NAME(start_kernel)转到start_kernel()这个体系结构无关的函数中去执行了。

所不同的是，在i386系统中，当内核以bzImage的形式压缩，即大内核方式 （__BIG_KERNEL__）压缩时就需要预先处理bootsect.S和setup.S，按照大核模式使用$(CPP) 处理生成bbootsect.S和bsetup.S，然后再编译生成相应的.o文件，并使用 "arch/i386/boot/compressed/build.c"生成的build工具，将实际的内核（未压缩的，含 kernel中的head.S代码）与"arch/i386/boot/compressed"下的head.S和misc.c合成到一起，其中的head.S代替了"arch/i386/kernel/head.S"的位置，由Bootloader引导执行 （startup_32入口），然后它调用misc.c中定义的decompress_kernel()函数，使用 "lib/inflate.c"中定义的gunzip()将内核解压到0x100000，再转到其上执行 "arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32代码。

对于2.4.x版内核 
没有变化。

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核心数据结构初始化--内核引导第一部分

start_kernel()中调用了一系列初始化函数，以完成kernel本身的设置。 这些动作有的是公共的，有的则是需要配置的才会执行的。

在start_kernel()函数中，

• 输出Linux版本信息（printk(linux_banner)）
• 设置与体系结构相关的环境（setup_arch()）
• 页表结构初始化（paging_init()）
• 使用"arch/alpha/kernel/entry.S"中的入口点设置系统自陷入口（trap_init()）
• 使用alpha_mv结构和entry.S入口初始化系统IRQ（init_IRQ()）
• 核心进程调度器初始化（包括初始化几个缺省的Bottom-half，sched_init()）
• 时间、定时器初始化（包括读取CMOS时钟、估测主频、初始化定时器中断等，time_init()）
• 提取并分析核心启动参数（从环境变量中读取参数，设置相应标志位等待处理，（parse_options()）
• 控制台初始化（为输出信息而先于PCI初始化，console_init()）
• 剖析器数据结构初始化（prof_buffer和prof_len变量）
• 核心Cache初始化（描述Cache信息的Cache，kmem_cache_init()）
• 延迟校准（获得时钟jiffies与CPU主频ticks的延迟，calibrate_delay()）
• 内存初始化（设置内存上下界和页表项初始值，mem_init()）
• 创建和设置内部及通用cache（"slab_cache"，kmem_cache_sizes_init()）
• 创建uid taskcount SLAB cache（"uid_cache"，uidcache_init()）
• 创建文件cache（"files_cache"，filescache_init()）
• 创建目录cache（"dentry_cache"，dcache_init()）
• 创建与虚存相关的cache（"vm_area_struct"，"mm_struct"，vma_init()）
• 块设备读写缓冲区初始化（同时创建"buffer_head"cache用户加速访问，buffer_init()）
• 创建页cache（内存页hash表初始化，page_cache_init()）
• 创建信号队列cache（"signal_queue"，signals_init()）
• 初始化内存inode表（inode_init()）
• 创建内存文件描述符表（"filp_cache"，file_table_init()）
• 检查体系结构漏洞（对于alpha，此函数为空，check_bugs()）
• SMP机器其余CPU（除当前引导CPU）初始化（对于没有配置SMP的内核，此函数为空，smp_init()）
• 启动init过程（创建第一个核心线程，调用init()函数，原执行序列调用cpu_idle() 等待调度，init()）

至此start_kernel()结束，基本的核心环境已经建立起来了。

对于I386平台 
i386平台上的内核启动过程与此基本相同，所不同的主要是实现方式。

对于2.4.x版内核 
2.4.x中变化比较大，但基本过程没变，变动的是各个数据结构的具体实现，比如Cache。

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外设初始化--内核引导第二部分

init()函数作为核心线程，首先锁定内核（仅对SMP机器有效），然后调用 do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化。过程如下：

• 总线初始化（比如pci_init()）
• 网络初始化（初始化网络数据结构，包括sk_init()、skb_init()和proto_init()三部分，在proto_init()中，将调用protocols结构中包含的所有协议的初始化过程，sock_init()）
• 创建bdflush核心线程（bdflush()过程常驻核心空间，由核心唤醒来清理被写过的内存缓冲区，当bdflush()由kernel_thread()启动后，它将自己命名为kflushd）
• 创建kupdate核心线程（kupdate()过程常驻核心空间，由核心按时调度执行，将内存缓冲区中的信息更新到磁盘中，更新的内容包括超级块和inode表）
• 设置并启动核心调页线程kswapd（为了防止kswapd启动时将版本信息输出到其他信息中间，核心线调用kswapd_setup()设置kswapd运行所要求的环境，然后再创建 kswapd核心线程）
• 创建事件管理核心线程（start_context_thread()函数启动context_thread()过程，并重命名为keventd）
• 设备初始化（包括并口parport_init()、字符设备chr_dev_init()、块设备 blk_dev_init()、SCSI设备scsi_dev_init()、网络设备net_dev_init()、磁盘初始化及分区检查等等，device_setup()）
• 执行文件格式设置（binfmt_setup()）
• 启动任何使用__initcall标识的函数（方便核心开发者添加启动函数，do_initcalls()）
• 文件系统初始化（filesystem_setup()）
• 安装root文件系统（mount_root()）

至此do_basic_setup()函数返回init()，在释放启动内存段（free_initmem()）并给内核解锁以后，init()打开/dev/console设备，重定向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。

init()函数到此结束，内核的引导部分也到此结束了，这个由start_kernel()创建的第一个线程已经成为一个用户模式下的进程了。此时系统中存在着六个运行实体：

• start_kernel()本身所在的执行体，这其实是一个"手工"创建的线程，它在创建了init()线程以后就进入cpu_idle()循环了，它不会在进程（线程）列表中出现
• init线程，由start_kernel()创建，当前处于用户态，加载了init程序
• kflushd核心线程，由init线程创建，在核心态运行bdflush()函数
• kupdate核心线程，由init线程创建，在核心态运行kupdate()函数
• kswapd核心线程，由init线程创建，在核心态运行kswapd()函数
• keventd核心线程，由init线程创建，在核心态运行context_thread()函数

对于I386平台 
基本相同。

对于2.4.x版内核 
这一部分的启动过程在2.4.x内核中简化了不少，缺省的独立初始化过程只剩下网络 （sock_init()）和创建事件管理核心线程，而其他所需要的初始化都使用__initcall()宏 包含在do_initcalls()函数中启动执行。

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init进程和inittab引导指令

init进程是系统所有进程的起点，内核在完成核内引导以后，即在本线程（进程）空 间内加载init程序，它的进程号是1。

init程序需要读取/etc/inittab文件作为其行为指针，inittab是以行为单位的描述性（非执行性）文本，每一个指令行都具有以下格式：

id:runlevel:action:process其中id为入口标识符，runlevel为运行级别，action为动作代号，process为具体的执行程序。

id一般要求4个字符以内，对于getty或其他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。

runlevel是init所处于的运行级别的标识，一般使用0－6以及S或s。0、1、6运行级别被系统保留，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（/dev/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。7－9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。

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。

在Redhat系统中，一般情况下inittab都会有如下几项：

id:3:initdefault:
#表示当前缺省运行级别为3--完全多任务模式；
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
#启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本
l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3    
#当运行级别为3时，以3为参数运行/etc/rc.d/rc脚本，init将等待其返回
0:12345:respawn:/sbin/mingetty tty0 
#在1－5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
x:5:respawn:/usr/bin/X11/xdm -nodaemon
#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

#记录格式

#   id:rstate:action:process


#        id: 4个字符的唯一标识


#        rstate: 被调用的运行级别, 可以为多个级别，为空则是所有级别


#        action: 执行的动作。    

#            respawn: 如果该进程不存在，则运行，并继续扫描inittab，执行其他项目。如果改进程结束，init将，重启该进程

#            wait:    运行该进程，并等待结束，在处理其他记录

#            once: 运行该进程，并继续其他记录，进程中止了也不在运行

#            sysinit: 只有在启动或重启并首先进入单用户模式时调用。并等待结束，不指定运行界别

#            initdefault: 指定默认级别，如果没指定，则要求用户指定一个

#            ctrlaltdel: 同时按下ctrl+alt+del键执行


#            boot: 系统启动时调用，并继续其他记录，进程中止，不在运行

#            bootwait: 第一次从单用户到多用户模式时调用，并等待结束，中止不再运行

#            powerfail: 当接到断电信号(SIGPWR)， 运行

#            powerwait: 同上，并等待结束

#            off: 如果指定进程存在，则向它发出SIGTERM

#            ondemand: 同respawn, 但与运行级别无关，只用于a,b,c字段


#        process: 指定要运行的进程

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rc启动脚本

上一节已经提到init进程将启动运行rc脚本，这一节将介绍rc脚本具体的工作。

一般情况下，rc启动脚本都位于/etc/rc.d目录下，rc.sysinit中最常见的动作就是激活交换分区，检查磁盘，加载硬件模块，这些动作无论哪个运行级别都是需要优先执行的。仅当rc.sysinit执行完以后init才会执行其他的boot或bootwait动作。

如果没有其他boot、bootwait动作，在运行级别3下，/etc/rc.d/rc将会得到执行，命令行参数为3，即执行/etc/rc.d/rc3.d/目录下的所有文件。rc3.d下的文件都是指向/etc/rc.d/init.d/目录下各个Shell脚本的符号连接，而这些脚本一般能接受start、stop、restart、status等参数。rc脚本以start参数启动所有以S开头的脚本，在此之前，如果相应的脚本也存在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），则将首先启动K开头的脚本，以stop作为参数停止这些已经启动了的服务，然后再重新运行。显然，这样做的直接目的就是当init改变运行级别时，所有相关的服务都将重启，即使是同一个级别。

rc程序执行完毕后，系统环境已经设置好了，下面就该用户登录系统了。

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getty和login

在rc返回后，init将得到控制，并启动mingetty（见第五节）。mingetty是getty的简化，不能处理串口操作。getty的功能一般包括：

• 打开终端线，并设置模式
• 输出登录界面及提示，接受用户名的输入
• 以该用户名作为login的参数，加载login程序

注：用于远程登录的提示信息位于/etc/issue.net中。

login程序在getty的同一个进程空间中运行，接受getty传来的用户名参数作为登录 的用户名。

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。

当用户登录通过了这些检查后，login将搜索/etc/passwd文件（必要时搜索 /etc/shadow文件）用于匹配密码、设置主目录和加载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/sh。在将控制转交给shell以前， getty将输出/var/log/lastlog中记录的上次登录系统的信息，然后检查用户是否有新 邮件（/usr/spool/mail/{username}）。在设置好shell的uid、gid，以及TERM，PATH 等环境变量以后，进程加载shell，login的任务也就完成了。

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bash

运行级别3下的用户login以后，将启动一个用户指定的shell，以下以/bin/bash为例继续我们的启动过程。

bash是Bourne Shell的GNU扩展，除了继承了sh的所有特点以外，还增加了很多特 性和功能。由login启动的bash是作为一个登录shell启动的，它继承了getty设置的TERM、PATH等环境变量，其中PATH对于普通用户为"/bin:/usr/bin:/usr/local/bin"，对于root 为"/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin"。作为登录shell，它将首先寻找/etc/profile 脚本文件，并执行它；然后如果存在~/.bash_profile，则执行它，否则执行 ~/.bash_login，如果该文件也不存在，则执行~/.profile文件。然后bash将作为一个 交互式shell执行~/.bashrc文件（如果存在的话），很多系统中，~/.bashrc都将启动 /etc/bashrc作为系统范围内的配置文件。

当显示出命令行提示符的时候，整个启动过程就结束了。此时的系统，运行着内核， 运行着几个核心线程，运行着init进程，运行着一批由rc启动脚本激活的守护进程（如 inetd等），运行着一个bash作为用户的命令解释器。

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附：XDM方式登录

如果缺省运行级别设为5，则系统中不光有1-6个getty监听着文本终端，还有启动了一个XDM的图形登录窗口。登录过程和文本方式差不多，也需要提供用户名和口令，XDM 的配置文件缺省为/usr/X11R6/lib/X11/xdm/xdm-config文件，其中指定了 /usr/X11R6/lib/X11/xdm/xsession作为XDM的会话描述脚本。登录成功后，XDM将执行这个脚本以运行一个会话管理器，比如gnome-session等。

除了XDM以外，不同的窗口管理系统（如KDE和GNOME）都提供了一个XDM的替代品，如gdm和kdm，这些程序的功能和XDM都差不多。

关于作者

		杨沙洲，男，现攻读国防科大计算机学院计算机软件方向博士学位。您可以通过电子邮件 跟他联系。