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詳解Linux系統開機後的啟動過程

日期:2017/3/1 17:40:25   编辑:Linux技術

Linux的啟動其實和windows的啟動過程很類似,不過windows我們是無法看到啟動信息的,而linux啟動時我們會看到許多啟動信息,例如某個服務是否啟動。

Linux系統的啟動過程大體上可分為五部分:內核的引導;運行init;系統初始化;建立終端 ;用戶登錄系統。

A 內核引導

當計算機打開電源後,首先是BIOS開機自檢,按照BIOS中設置的啟動設備(通常是硬盤)來啟動。緊接著由啟動設備上的grub程序開始引導linux,當引導程序成功完成引導任務後,Linux從它們手中接管了CPU的控制權,然後CPU就開始執行Linux的核心映象代碼,開始了Linux啟動過程。也就是所謂的內核引導開始了,在內核引導過程中其實是很復雜的,我們就當它是一個黑匣子,反正是linux內核做了一些列工作,最後內核調用加載了init程序,至此內核引導的工作就完成了。交給了下一個主角init。

B 運行init

init 進程是系統所有進程的起點,你可以把它比擬成系統所有進程的老祖宗,沒有這個進程,系統中任何進程都不會啟動。init 程序首先是需要讀取配置文件 /etc/inittab。inittab是一個不可執行的文本文件,它有若干行指令所組成。具體內容如下:(你可以在你的linux上執行命令 cat /etc/inittab 這樣獲得)

  
復制代碼代碼如下:# 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)
  # 1 - Single user mode
  # 2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not havenetworking)
  # 3 - Full multiuser mode
  # 4 - unused
  # 5 - X11
  # 6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
  #
  ###表示當前缺省運行級別為5(initdefault);
  id:5:initdefault:
  ###啟動時自動執行/etc/rc.d/rc.sysinit腳本(sysinit)
  # 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
  ###當運行級別為5時,以5為參數運行/etc/rc.d/rc腳本,init將等待其返回(wait)
  l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
  l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
  ###在啟動過程中允許按CTRL-ALT-DELETE重啟系統
  # 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"
  ###在2、3、4、5級別上以ttyX為參數執行/sbin/mingetty程序,打開ttyX終端用於用戶登錄,
  ###如果進程退出則再次運行mingetty程序(respawn)
  # 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
  ###在5級別上運行xdm程序,提供xdm圖形方式登錄界面,並在退出時重新執行(respawn)
  # Run xdm in runlevel 5
  x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon

以上面的inittab文件為例,來說明一下inittab的格式。其中以#開始的行是注釋行,除了注釋行之外,每一行都有以下格式:
  
復制代碼代碼如下:id:runlevel:action:process

  對上面各項的詳細解釋如下:

1. id

  id是指入口標識符,它是一個字符串,對於getty或mingetty等其他login程序項,要求id與tty的編號相同,否則getty程序將不能正常工作。
2. Runlevel

runlevel是init所處於的運行級別的標識,一般使用0-6以及S或s。0、1、6運行級別被系統保留:其中0作為shutdown動作,1作為重啟至單用戶模式,6為重啟;S和s意義相同,表示單用戶模式,且無需inittab文件,因此也不在inittab中出現,實際上,進入單用戶模式時,init直接在控制台(/dev/console)上運行/sbin/sulogin。在一般的系統實現中,都使用了2、3、4、5幾個級別,在CentOS系統中,2表示無NFS支持的多用戶模式,3表示完全多用戶模式(也是最常用的級別),4保留給用戶自定義,5表示XDM圖形登錄方式。7-9級別也是可以使用的,傳統的Unix系統沒有定義這幾個級別。runlevel可以是並列的多個值,以匹配多個運行級別,對大多數action來說,僅當runlevel與當前運行級別匹配成功才會執行。
3. action
  action是描述其後的process的運行方式的。action可取的值包括:initdefault、sysinit、boot、bootwait等: initdefault是一個特殊的action值,用於標識缺省的啟動級別;當init由核心激活以後,它將讀取inittab中的initdefault項,取得其中的runlevel,並作為當前的運行級別。如果沒有inittab文件,或者其中沒有initdefault項,init將在控制台上請求輸入runlevel。  sysinit、boot、bootwait等action將在系統啟動時無條件運行,而忽略其中的runlevel。其余的action(不含initdefault)都與某個runlevel相關。各個action的定義在inittab的man手冊中有詳細的描述。
4. process
  process為具體的執行程序。程序後面可以帶參數。

Tips: 如果你看不懂這個文件,沒有關系,隨著你對linux的深入了解,你再回過頭看這個文件你就會豁然開朗的。但是你現在必須要明白runlevel的各個級別的含義。

C 系統初始化

在init的配置文件中有這麼一行: si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit 它調用執行了/etc/rc.d/rc.sysinit,而rc.sysinit是一個bash shell的腳本,它主要是完成一些系統初始化的工作,rc.sysinit是每一個運行級別都要首先運行的重要腳本。它主要完成的工作有:激活交換分區,檢查磁盤,加載硬件模塊以及其它一些需要優先執行任務。

rc.sysinit約有850多行,但是每個單一的功能還是比較簡單,而且帶有注釋,建議有興趣的用戶可以自行閱讀自己機器上的該文件,以了解系統初始化所詳細情況。由於此文件較長,所以不在本文中列出來,也不做具體的介紹。當rc.sysinit程序執行完畢後,將返回init繼續下一步。通常接下來會執行到/etc/rc.d/rc程序。以運行級別3為例,init將執行配置文件inittab中的以下這行:
  l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
 這一行表示以5為參數運行/etc/rc.d/rc,/etc/rc.d/rc是一個Shell腳本,它接受5作為參數,去執行/etc/rc.d/rc5.d/目錄下的所有的rc啟動腳本,/etc/rc.d/rc5.d/目錄中的這些啟動腳本實際上都是一些連接文件,而不是真正的rc啟動腳本,真正的rc啟動腳本實際上都是放在/etc/rc.d/init.d/目錄下。而這些rc啟動腳本有著類似的用法,它們一般能接受start、stop、restart、status等參數。

/etc/rc.d/rc5.d/中的rc啟動腳本通常是K或S開頭的連接文件,對於以以S開頭的啟動腳本,將以start參數來運行。而如果發現存在相應的腳本也存在K打頭的連接,而且已經處於運行態了(以/var/lock/subsys/下的文件作為標志),則將首先以stop為參數停止這些已經啟動了的守護進程,然後再重新運行。這樣做是為了保證是當init改變運行級別時,所有相關的守護進程都將重啟。

至於在每個運行級中將運行哪些守護進程,用戶可以通過chkconfig或setup中的"System Services"來自行設定。

D 建立終端

rc執行完畢後,返回init。這時基本系統環境已經設置好了,各種守護進程也已經啟動了。init接下來會打開6個終端,以便用戶登錄系統。在inittab中的以下6行就是定義了6個終端:
  
復制代碼代碼如下: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
 
 從上面可以看出在2、3、4、5的運行級別中都將以respawn方式運行mingetty程序,mingetty程序能打開終端、設置模式。同時它會顯示一個文本登錄界面,這個界面就是我們經常看到的登錄界面,在這個登錄界面中會提示用戶輸入用戶名,而用戶輸入的用戶將作為參數傳給login程序來驗
證用戶的身份。

E 用戶登錄系統

對於運行級別為5的圖形方式用戶來說,他們的登錄是通過一個圖形化的登錄界面。登錄成功後可以直接進入KDE、Gnome等窗口管理器。而本文主要講的還是文本方式登錄的情況:當我們看到mingetty的登錄界面時,我們就可以輸入用戶名和密碼來登錄系統了。

Linux的賬號驗證程序是login,login會接收mingetty傳來的用戶名作為用戶名參數。然後login會對用戶名進行分析:如果用戶名不是root,且存在/etc/nologin文件,login將輸出nologin文件的內容,然後退出。這通常用來系統維護時防止非root用戶登錄。只有/etc/securetty中登記了的終端才允許root用戶登錄,如果不存在這個文件,則root可以在任何終端上登錄。/etc/usertty文件用於對用戶作出附加訪問限制,如果不存在這個文件,則沒有其他限制。

在分析完用戶名後,login將搜索/etc/passwd以及/etc/shadow來驗證密碼以及設置賬戶的其它信息,比如:主目錄是什麼、使用何種shell。如果沒有指定主目錄,將默認為根目錄;如果沒有指定shell,將默認為/bin/bash。

login程序成功後,會向對應的終端在輸出最近一次登錄的信息(在/var/log/lastlog中有記錄),並檢查用戶是否有新郵件(在/usr/spool/mail/的對應用戶名目錄下)。然後開始設置各種環境變量:對於bash來說,系統首先尋找/etc/profile腳本文件,並執行它;然後如果用戶的主目錄中存在.bash_profile文件,就執行它,在這些文件中又可能調用了其它配置文件,所有的配置文件執行後後,各種環境變量也設好了,這時會出現大家熟悉的命令行提示符,到此整個啟動過程就結束了。

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