kernel启动

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/startup/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。

　　四.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。

　　五.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



　　六.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。

　　七.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

缺省的登录提示记录在/etc/issue文件中，但每次启动，一般都会由rc.local脚本根据系统环境重新生成。

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。

　　八.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。

　　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。