LINUX系統初始化過程解析

一、 概況

　　系統的引導和初始化是操作系統實現控制的第一步，也是集中體現系統優劣的重要部分。LINUX作為一個免費的準UNIX操作系統，在眾多業余愛好者以及小型商業處理市場表現不俗，成為繼WINDOWS系列后的另一個主流。了解LINUX系統的初始化，對于進一步掌握UNIX系統是十分有幫助的。
通常，LINUX系統的初始化可以分為兩部分：內核部分和init程序部分。內核主要完成系統的硬件檢測和初始化，init程序則主要完成系統的各項配置。
　　本文將著眼LINUX系統初始化的兩個部分，初步解析LINUX的特點。

二、 初始化詳解

1．內核部分

　　通常情況下，計算機首先用LILO程序引導內核的一部分（這部分沒有被壓縮），以此來引導內核的其他部分。LILO程序是最常用的、也是比較完善的LINUX系統引導器，PC機通常從硬盤的引導扇區讀取這部分程序。關于LILO程序的詳細內容可以參照其他資料。
　　內核被解壓縮并裝入內存后，開始初始化硬件和設備驅動程序。下面是內核初始化系統的具體步驟（各個版本之間會有一定的差異，下面是2.2.16-22版本的一個例子）：
(1) 檢測CPU的主頻和控制臺的顯示類型，并對CPU速度用Bogo MIPS程序進行估算。
(2) 此后內核通過外設顯示系統內存信息：如131072k(128M)，127820k剩余，使用的具體情況為：1048k內核代碼，412k保留，1728k數據等。爾后是各類hash table的信息。
(3) 內核加載磁盤空間限量支持，完成CPU檢測（包括檢查數學協處理器），以及POSIX適應性檢測。
(4) 初始化PCI BIOS，檢測系統的PCI設備，并加載TCP/IP網絡支持。
(5) 內核開始檢測其他各種硬件設備：如PS/2端口設備，串行口設備，硬盤，軟盤，SCSI等。
此后，內核將啟動init程序，形成系統的第一個進程。下面是dmesg記錄的內核初始化信息（部分）：

Detected 499845 kHz processor.
Console: colour VGA+ 80x25
Calibrating delay loop... 996.15 BogoMIPS
Memory: 127820k/131072k available (1048k kernel code, 412k reserved, 1728k data, 64k init, 0k bigmem)
Dentry hash table entries: 262144 (order 9, 2048k)
Buffer cache hash table entries: 131072 (order 7, 512k)
Page cache hash table entries: 32768 (order 5, 128k)
VFS: Diskquotas version dquot_6.4.0 initialized
CPU: Intel Celeron (Mendocino) stepping 05
Checking 386/387 coupling... OK, FPU using exception 16 error reporting.
Checking hlt instruction... OK.
POSIX conformance testing by UNIFIX
mtrr: v1.35a (19990819) Richard Gooch ()
PCI: PCI BIOS revision 2.10 entry at 0xfb190
PCI: Using configuration type 1
PCI: Probing PCI hardware
Linux NET4.0 for Linux 2.2
……
Starting kswapd v 1.5
Detected PS/2 Mouse Port.
Serial driver version 4.27 with MANY_PORTS MULTIPORT SHARE_IRQ enabled
ttyS00 at 0x03f8 (irq = 4) is a 16550A
ttyS01 at 0x02f8 (irq = 3) is a 16550A
pty: 256 Unix98 ptys configured
apm: BIOS version 1.2 Flags 0x07 (Driver version 1.13)
Real Time Clock Driver v1.09
RAM disk driver initialized: 16 RAM disks of 4096K size
……
hda: QUANTUM FIREBALLlct10 15, ATA DISK drive
hdd: ASUS CD-S400/A, ATAPI CDROM drive
ide0 at 0x1f0-0x1f7,0x3f6 on irq 14
ide1 at 0x170-0x177,0x376 on irq 15
hda: QUANTUM FIREBALLlct10 15, 14324MB w/418kB Cache, CHS=1826/255/63
Floppy drive(s): fd0 is 1.44M
FDC 0 is a post-1991 82077
md driver 0.90.0 MAX_MD_DEVS=256, MAX_REAL=12
raid5: measuring checksumming speed
raid5: MMX detected, trying high-speed MMX checksum routines
……
using fastest function: p5_mmx (1168.146 MB/sec)
scsi : 0 hosts.
scsi : detected total.
md.c: sizeof(mdp_super_t) = 4096
Partition check:
hda: hda1 hda2 < hda5 hda6 hda7 hda8 hda9 hda10 hda11 >
autodetecting RAID arrays
autorun ...
... autorun DONE.
VFS: Mounted root (ext2 filesystem) readonly.
Freeing unused kernel memory: 64k freed
……

2．init程序部分

　　init程序通常在/sbin或/bin下，它負責在系統啟動時運行一系列程序和腳本文件。init程序一旦被內核調用，便成為系統的第0號進程，該進程對于LINUX系統是十分重要的，有關它的詳細內容請參閱其他資料。init進程做的每一步都由/etc/initab中的配置決定。以下是RadHat的/etc/inittab文件的例子：

# Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
# 0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
# 1 - Single user mode
# 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not have.networking)
# 3 - Full multiuser mode
# 4 - unused
# 5 - X11
# 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
#
id:3:initdefault:

# System initialization.
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6

# Things to run in every runlevel.
ud::once:/sbin/update

# Trap CTRL-ALT-DELETE
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.
pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"

# If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"

# Run gettys in standard runlevels
1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6

# Run xdm in runlevel 5
# xdm is now a separate service
x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon

inittab文件的每一行包含四個域，格式為：
code:runlevels:action:command
(1) code域用單個或兩個字符序列來作為本行的標識，這個標識在此文件中是唯一的。文件中的某些記錄必須使用特定的code才能使系統工作正常。
(2) runlevels域給出的是本行的運行級別。LINUX系統運行在一定的級別下，當inittab文件指定了某一特定的運行級別時，該記錄行包含的命令將被執行。RedHat系統通常設置了7個運行級別（0-6），各運行級別的說明包含在inittab文件的開頭。
(3) action域指出的是init程序執行command命令的方式。比如：只執行command一次，還是在它退出時重啟。
(4) command域給出相應記錄行要執行的命令。

　　運行級別1是單用戶模式，所謂單用戶指的是系統運行在唯一用戶--超級用戶模式下。而大多數情況下，系統運行在多用戶模式下。在啟動出錯、文件系統出錯等情況下，系統將進入單用戶模式，此時，系統只有很少的配置，這對于恢復系統是很必要的。
　　inittab文件首先指出缺省的運行級別（如id:3:initdefault:），我們看到上面的例子中缺省的運行級別為3。此后根據下一條記錄，系統應當運行/etc/rc.d/rc.sysinit，這是一個腳本文件，主要包括基本的系統初始化命令，如激活交換分區、檢查并掛上文件系統、裝載部分模塊等。
　　接下來是執行特定運行級別對應的rcN程序。rcN都是目錄，當前運行級別為N時，執行/etc/rc.d/rcN.d目錄下的腳本程序。以下是rc3.d目錄下的文件：

　　從中我們看到，rc3.d目錄下都是類似Knnxxxx和Snnxxxx的文件。Nn是00-99之間的一個整數，xxxx是系統提供的某些服務。以"S"開頭的文件用以啟動（start）服務進程，以"K"開頭的文件用以終止（kill）服務進程。數字nn的大小決定程序執行的先后順序。
　　例如系統啟動進入運行模式3后，/etc/rc.d/rc3.d目錄下所有以"S"開頭的文件將被依次執行；系統關閉時，離開運行模式3之前，/etc/rc.d/rc3.d目錄下所有以"K"開頭的文件將被依次執行。
下一條記錄表明每一個運行級別都要運行命令update，此程序每隔30秒把內存緩沖區的內容回寫一次，稱為"同步"，以防止系統崩潰或突然掉電造成的數據丟失和損壞。
　　以下的各條記錄分別描述了Ctrl-Alt-Del組合鍵是否有效，與UPS相關的電源失敗處理和虛擬控制臺的初始化，最后一條記錄則是在運行級別5的啟動X Window系統的X顯示管理程序。

　　好了，到此為止，我們就可以登陸LINUX系統了。

作者：jackold

原文轉自：http://www.kjueaiud.com