kernel 啟動過程之三， start_kernel()函數 概敘！init/main.c

 

核心資料結構初始化--核心引導第一部分

 

start_kernel()中調用了一系列初始化函數，以完成kernel本身的設定。
這些動作有的是公用的，有的則是需要配置的才會執行的。

在start_kernel()函數中，

 

• 輸出Linux版本資訊（printk(linux_banner)）
• 設定與體繫結構相關的環境（setup_arch()）
• 頁表結構初始化（paging_init()）
• 使用"arch/alpha/kernel/entry.S"中的進入點設定系統自陷入口（trap_init()）
• 使用alpha_mv結構和entry.S入口初始化系統IRQ（init_IRQ()）
• 核心進程調度器初始化（包括初始化幾個預設的Bottom-half，sched_init()）
• 時間、定時器初始化（包括讀取CMOS時鐘、估測主頻、初始化定時器中斷等，time_init()）
• 提取並分析核心啟動參數（從環境變數中讀取參數，設定相應標誌位等待處理，（parse_options()）
• 控制台初始化（為輸出資訊而先於PCI初始化，console_init()）
• 剖析器資料結構初始化（prof_buffer和prof_len變數）
• 核心Cache初始化（描述Cache資訊的Cache，kmem_cache_init()）
• 延遲校準（獲得時鐘jiffies與CPU主頻ticks的延遲，calibrate_delay()）
• 記憶體初始化（設定記憶體上下界和頁表項初始值，mem_init()）
• 建立和設定內部及通用cache（"slab_cache"，kmem_cache_sizes_init()）
• 建立uid taskcount SLAB
  cache（"uid_cache"，uidcache_init()）
• 建立檔案cache（"files_cache"，filescache_init()）
• 建立目錄cache（"dentry_cache"，dcache_init()）
• 建立與虛存相關的cache（"vm_area_struct"，"mm_struct"，vma_init()）
• 塊裝置讀寫緩衝區初始化（同時建立"buffer_head"cache使用者加速訪問，buffer_init()）
• 建立頁cache（記憶體頁hash表初始化，page_cache_init()）
• 建立訊號隊列cache（"signal_queue"，signals_init()）
• 初始化記憶體inode表（inode_init()）
• 建立記憶體檔案描述符表（"filp_cache"，file_table_init()）
• 檢查體繫結構漏洞（對於alpha，此函數為空白，check_bugs()）
• SMP機器其餘CPU（除當前引導CPU）初始化（對於沒有配置SMP的核心，此函數為空白，smp_init()）
• 啟動init過程（建立第一個核心線程，調用init()函數，原執行序列調用cpu_idle()
  等待調度，init()）

至此start_kernel()結束，基本的核心環境已經建立起來了。

對於I386平台

i386平台上的核心啟動過程與此基本相同，所不同的主要是實現方式。

對於2.4.x版核心

2.4.x中變化比較大，但基本過程沒變，變動的是各個資料結構的具體實現，比如Cache。

 

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外設初始化--核心引導第二部分

init()函數作為核心線程，首先鎖定核心（僅對SMP機器有效），然後調用
do_basic_setup()完成外設及其驅動程式的載入和初始化。過程如下：

 

• 匯流排初始化（比如pci_init()）
• 網路初始化（初始化網路資料結構，包括sk_init()、skb_init()和proto_init()三部分，在proto_init()中，將調用protocols結構中包含的所有協議的初始化過程，sock_init()）
• 建立bdflush核心線程（bdflush()過程常駐核心空間，由核心喚醒來清理被寫過的記憶體緩衝區，當bdflush()由kernel_thread()啟動後，它將自己命名為kflushd）
• 建立kupdate核心線程（kupdate()過程常駐核心空間，由核心按時調度執行，將記憶體緩衝區中的資訊更新到磁碟中，更新的內容包括超級塊和inode表）
• 設定並啟動核心調頁線程kswapd（為了防止kswapd啟動時將版本資訊輸出到其他資訊中間，核心線調用kswapd_setup()設定kswapd運行所要求的環境，然後再建立
  kswapd核心線程）
• 建立事件管理核心線程（start_context_thread()函數啟動context_thread()過程，並重新命名為keventd）
• 裝置初始化（包括並口parport_init()、字元裝置chr_dev_init()、塊裝置
  blk_dev_init()、SCSI裝置scsi_dev_init()、網路裝置net_dev_init()、磁碟初始化及分區檢查等等，device_setup()）
• 執行檔案格式設定（binfmt_setup()）
• 啟動任何使用__initcall標識的函數（方便核心開發人員添加啟動函數，do_initcalls()）
• 檔案系統初始化（filesystem_setup()）
• 安裝root檔案系統（mount_root()）

至此do_basic_setup()函數返回init()，在釋放啟動記憶體段（free_initmem()）並給核心解鎖以後，init()開啟
/dev/console裝置，重新導向stdin、stdout和stderr到控制台，最後，搜尋檔案系統中的init程式（或者由init=命令列參
數指定的程式），並使用 execve()系統調用載入執行init程式。

init()函數到此結束，核心的引導部分也到此結束了，這個由start_kernel()建立的第一個線程已經成為一個使用者模式下的進程了。此時系統中存在著六個運行實體：

• start_kernel()本身所在的執行體，這其實是一個"手工"建立的線程，它在建立了init()線程以後就進入cpu_idle()迴圈了，它不會在進程（線程）列表中出現
• init線程，由start_kernel()建立，當前處於使用者態，載入了init程式
• kflushd核心線程，由init線程建立，在核心態運行bdflush()函數
• kupdate核心線程，由init線程建立，在核心態運行kupdate()函數
• kswapd核心線程，由init線程建立，在核心態運行kswapd()函數
• keventd核心線程，由init線程建立，在核心態運行context_thread()函數

對於I386平台

基本相同。

對於2.4.x版核心

這一部分的啟動過程在2.4.x核心中簡化了不少，預設的獨立初始化過程只剩下網路
（sock_init()）和建立事件管理核心線程，而其他所需要的初始化都使用__initcall()宏
包含在do_initcalls()函數中啟動執行。

 

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init進程和inittab引導指令

init進程是系統所有進程的起點，核心在完成核內引導以後，即在本線程（進程）空
間內載入init程式，它的進程號是1。

init程式需要讀取/etc/inittab檔案作為其行為指標，inittab是以行為單位的描述性（非執行性）文本，每一個指令行都具有以下格式：

id:runlevel:action:process其中id為入口標識符，runlevel為運行層級，action為動作代號，process為具體的執行程式。

id一般要求4個字元以內，對於getty或其他login程式項，要求id與tty的編號相同，否則getty程式將不能正常工作。

runlevel是init所處於的運行層級的標識，一般使用0－6以及S或s。0、1、6運行層級被系統保留，0作為shutdown動作，1作為重啟
至單一使用者模式，6為重啟；S和s意義相同，表示單一使用者模式，且無需inittab檔案，因此也不在inittab中出現，實際上，進入單一使用者模式時，
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幾個層級，在Redhat系統中，2表示無NFS支援的多使用者模式，3表示完全多使用者模式（也是最常用的級
別），4保留給使用者自訂，5表示XDM圖形登入方式。7－9層級也是可以使用的，傳統的Unix系統沒有定義這幾個層級。runlevel可以是並列的
多個值，以匹配多個運行層級，對大多數action來說，僅當runlevel與當前運行層級匹配成功才會執行。

initdefault是一個特殊的action值，用於標識預設的啟動層級；當init由核心啟用
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檔案，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，其餘的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。

在Redhat系統中，一般情況下inittab都會有如下幾項：

id:3:initdefault: #表示當前預設運行層級為3--完全多任務模式； si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit #啟動時自動執行/etc/rc.d/rc.sysinit指令碼 l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3 #當運行層級為3時，以3為參數運行/etc/rc.d/rc指令碼，init將等待其返回 0:12345:respawn:/sbin/mingetty tty0 #在1－5各個層級上以tty0為參數執行/sbin/mingetty程式，開啟tty0終端用於 #使用者登入，如果進程退出則再次運行mingetty程式 x:5:respawn:/usr/bin/X11/xdm -nodaemon #在5層級上運行xdm程式，提供xdm圖形方式登入介面，並在退出時重新執行

 

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rc啟動指令碼

上一節已經提到init進程將啟動運行rc指令碼，這一節將介紹rc指令碼具體的工作。

一般情況下，rc啟動指令碼都位於/etc/rc.d目錄下，rc.sysinit中最常見的動作就是啟用交換分區，檢查磁碟，載入硬體模組，這些動作無論
哪個運行層級都是需要優先執行的。僅當rc.sysinit執行完以後init才會執行其他的boot或bootwait動作。

如果沒有其他boot、bootwait動作，在運行層級3下，/etc/rc.d/rc將會得到執行，命令列參數為3，即執行
/etc/rc.d/rc3.d/目錄下的所有檔案。rc3.d下的檔案都是指向/etc/rc.d/init.d/目錄下各個Shell指令碼的符號連
接，而這些指令碼一般能接受start、stop、restart、status等參數。rc指令碼以start參數啟動所有以S開頭的指令碼，在此之前，如果
相應的指令碼也存在K打頭的連結，而且已經處於運行態了（以/var/lock/subsys/下的檔案作為標誌），則將首先啟動K開頭的指令碼，以stop
作為參數停止這些已經啟動了的服務，然後再重新運行。顯然，這樣做的直接目的就是當init改變運行層級時，所有相關的服務都將重啟，即使是同一個層級。

rc程式執行完畢後，系統內容已經設定好了，下面就該使用者登入系統了。

 

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getty和login

在rc返回後，init將得到控制，並啟動mingetty（見第五節）。mingetty是getty的簡化，不能處理串口操作。getty的功能一般包括：

• 開啟終端線，並設定模式
• 輸出登入介面及提示，接受使用者名稱的輸入
• 以該使用者名稱作為login的參數，載入login程式

註：用於遠程登入的提示資訊位於/etc/issue.net中。

login程式在getty的同一個進程空間中運行，接受getty傳來的使用者名稱參數作為登入
的使用者名稱。

如果使用者名稱不是root，且存在/etc/nologin檔案，login將輸出nologin檔案的內容，
然後退出。這通常用來系統維護時防止非root使用者登入。

只有/etc/securetty中登記了的終端才允許root使用者登入，如果不存在這個檔案，
則root可以在任何終端上登入。/etc/usertty檔案用於對使用者作出附加訪問限制，如果
不存在這個檔案，則沒有其他限制。

當使用者登入通過了這些檢查後，login將搜尋/etc/passwd檔案（必要時搜尋
/etc/shadow檔案）用於匹配密碼、設定主目錄和載入shell。如果沒有指定主目錄，將
預設為根目錄；如果沒有指定shell，將預設為/bin/sh。在將控制轉交給shell以前，
getty將輸出/var/log/lastlog中記錄的上次登入系統的資訊，然後檢查使用者是否有新
郵件（/usr/spool/mail/{username}）。在設定好shell的uid、gid，以及TERM，PATH
等環境變數以後，進程載入shell，login的任務也就完成了。

 

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bash

運行層級3下的使用者login以後，將啟動一個使用者指定的shell，以下以/bin/bash為例繼續我們的啟動過程。

bash是Bourne
Shell的GNU擴充，除了繼承了sh的所有特點以外，還增加了很多特
性和功能。由login啟動的bash是作為一個登入shell啟動的，它繼承了getty設定的TERM、PATH等環境變數，其中PATH對於普通使用者為"/bin:/usr/bin:/usr/local/bin"，對於root
為"/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin"。作為登入shell，它將首先尋找/etc/profile
指令檔，並執行它；然後如果存在~/.bash_profile，則執行它，否則執行
~/.bash_login，如果該檔案也不存在，則執行~/.profile檔案。然後bash將作為一個
互動式shell執行~/.bashrc檔案（如果存在的話），很多系統中，~/.bashrc都將啟動
/etc/bashrc作為系統範圍內的設定檔。

當顯示出命令列提示符的時候，整個啟動過程就結束了。此時的系統，運行著核心，
運行著幾個核心線程，運行著init進程，運行著一批由rc啟動指令碼啟用的守護進程（如
inetd等），運行著一個bash作為使用者的命令直譯器。