LINUX系统初始化过程全解

一、 概况

　　系统的引导和初始化是操作系统实现控制的第一步，也是集中体现系统优劣的重要部分。LINUX作为一个免费的准UNIX操作系统，在众多业余爱好者以及小型商业处理市场表现不俗，成为继WINDOWS系列后的另一个主流。了解LINUX系统的初始化，对于进一步掌握UNIX系统是十分有帮助的。
通常，LINUX系统的初始化可以分为两部分：内核部分和init程序部分。内核主要完成系统的硬件检测和初始化，init程序则主要完成系统的各项配置。
　　本文将着眼LINUX系统初始化的两个部分，初步解析LINUX的特点。

二、 初始化详解

1．内核部分

　　通常情况下，计算机首先用LILO程序引导内核的一部分（这部分没有被压缩），以此来引导内核的其他部分。LILO程序是最常用的、也是比较完善的LINUX系统引导器，PC机通常从硬盘的引导扇区读取这部分程序。关于LILO程序的详细内容可以参照其他资料。
　　内核被解压缩并装入内存后，开始初始化硬件和设备驱动程序。下面是内核初始化系统的具体步骤（各个版本之间会有一定的差异，下面是2.2.16-22版本的一个例子）：
(1) 检测CPU的主频和控制台的显示类型，并对CPU速度用Bogo MIPS程序进行估算。
(2) 此后内核通过外设显示系统内存信息：如131072k(128M)，127820k剩余，使用的具体情况为：1048k内核代码，412k保留，1728k数据等。尔后是各类hash table的信息。
(3) 内核加载磁盘空间限量支持，完成CPU检测（包括检查数学协处理器），以及POSIX适应性检测。
(4) 初始化PCI BIOS，检测系统的PCI设备，并加载TCP/IP网络支持。
(5) 内核开始检测其他各种硬件设备：如PS/2端口设备，串行口设备，硬盘，软盘，SCSI等。
此后，内核将启动init程序，形成系统的第一个进程。下面是dmesg记录的内核初始化信息（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 (rgooch@atnf.csiro.au)
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，它负责在系统启动时运行一系列程序和脚本文件。init程序一旦被内核调用，便成为系统的第0号进程，该进程对于LINUX系统是十分重要的，有关它的详细内容请参阅其他资料。init进程做的每一步都由/etc/initab中的配置决定。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个域，格式为：
code:runlevels:action:command
(1) code域用单个或两个字符序列来作为本行的标识，这个标识在此文件中是唯一的。文件中的某些记录必须使用特定的code才能使系统工作正常。
(2) runlevels域给出的是本行的运行级别。LINUX系统运行在一定的级别下，当inittab文件指定了某一特定的运行级别时，该记录行包含的命令将被执行。RedHat系统通常设置了7个运行级别（0-6），各运行级别的说明包含在inittab文件的开头。
(3) action域指出的是init程序执行command命令的方式。比如：只执行command一次，还是在它退出时重启。
(4) command域给出相应记录行要执行的命令。

　　运行级别1是单用户模式，所谓单用户指的是系统运行在唯一用户--超级用户模式下。而大多数情况下，系统运行在多用户模式下。在启动出错、文件系统出错等情况下，系统将进入单用户模式，此时，系统只有很少的配置，这对于恢复系统是很必要的。
　　inittab文件首先指出缺省的运行级别（如id:3:initdefault:），我们看到上面的例子中缺省的运行级别为3。此后根据下一条记录，系统应当运行/etc/rc.d/rc.sysinit，这是一个脚本文件，主要包括基本的系统初始化命令，如激活交换分区、检查并挂上文件系统、装载部分模块等。
　　接下来是执行特定运行级别对应的rcN程序。rcN都是目录，当前运行级别为N时，执行/etc/rc.d/rcN.d目录下的脚本程序。以下是rc3.d目录下的文件：

　　从中我们看到，rc3.d目录下都是类似Knnxxxx和Snnxxxx的文件。Nn是00-99之间的一个整数，xxxx是系统提供的某些服务。以"S"开头的文件用以启动（start）服务进程，以"K"开头的文件用以终止（kill）服务进程。数字nn的大小决定程序执行的先后顺序。
　　例如系统启动进入运行模式3后，/etc/rc.d/rc3.d目录下所有以"S"开头的文件将被依次执行；系统关闭时，离开运行模式3之前，/etc/rc.d/rc3.d目录下所有以"K"开头的文件将被依次执行。
下一条记录表明每一个运行级别都要运行命令update，此程序每隔30秒把内存缓冲区的内容回写一次，称为"同步"，以防止系统崩溃或突然掉电造成的数据丢失和损坏。
　　以下的各条记录分别描述了Ctrl-Alt-Del组合键是否有效，与UPS相关的电源失败处理和虚拟控制台的初始化，最后一条记录则是在运行级别5的启动X Window系统的X显示管理程序。

　　好了，到此为止，我们就可以登陆LINUX系统了。