操作系统初始化过程

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1、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 （关于内核的一点知识

2、在最后面有补充）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 LI NUX 系统引导器，PC 机通常从硬盘的引导扇区读取这部分程序。LILO 程序是一个引导加载程序，通过/etc/lilo.c 时的一个配置完成。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（ 衡量计算机处理器运行速

3、度的尺度）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 h ash 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（可移植操作系统接口）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（小型计算机系统接口）等。 此后，内

4、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）： 补充部分（关于内核部分的另一种说法而已）：当 Kernel 被装载到内存后，它会马上初始化和配置电脑的内存，并配置各 种不同的连接到这台电脑的硬件设备，包括所有的处理器，I/O 子系统，以及 存储设备。然后 Kernel 在预定的地方找到 initrd 镜像的压缩包，对它进行解 压和挂载，并载入所有必须的驱动。下一步，在删除 initrd 镜像挂载和回收所 有被它占用的内存之前，它将会初始化文件系统相应的虚拟设备比如 LVM 或软 件 RAID。然后，Kernel 会创建 root 设备，以只

5、读方式挂载 root 分区，并释放 所有没有被使用的内存。2init 程序部分 init 运行级别及指令一、什么是 INIT:init 是 Linux 系统操作中不可缺少的程序之一。所谓的 init 进程，它是一个由内核启动的用户级进程。内核自行启动（已经被载入内存，开始运行，并已初始化所有的设备驱动 程序和数据数据结构等）之后，就通过启动一个用户级程序 init 的方式，完成引导 进程。所以,init 始终是第一个进程（其进程编号始终为 1） 。内核会在过去曾使用过 init 的几个地方查找它，它的正确位置（对 Linux 系统来说）是/sbin/init。如果内核找不到 init，它就会试

6、着运行/bin/sh，如果运 行失败，系统的启动也会失败。 在 start_kernel 中将调用到大量的 init 函数，来完成内核的各种初始化。如： page_address_init(); sched_init(); page_alloc_init(); init_IRQ(); softirq_init(); console_init(); calibrate_delay(); vfs_caches_init(num_physpages); rest_init();init 的进程号是 1，从这一点就能看出，init 进程是系统所有进程的起点，Linux 在完成核内引导 以后，就开始运行

7、 init 程序，。 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 LINU X 系统是十分重要的。/sbin/init 程序（或干脆简称为 init）负责处理启动过 程的其余部分，并用为用户配置一个使用环境。当 init 程序启动后，它就成了所有 linux 系统自动启动的进程的父进程或是 祖父进程。首先，它会执行/etc/rc.d/rc.sysinit 文件的脚本，这里会设置环境路径， 启动交换分区，检查文件系统，并检查所有在系统启动阶段需要做好的事情。 比如，许多系统使用

8、时钟，所以在 rc.sysinit 里读取/etc/sysconfig/clock 配置文件 去初始化硬件时钟。再一个例子，假如有特殊的串口进程必须被初始化， rc.sysinit 会执行/etc/rc.serial 文件。然后 init 程序开始执行/etc/inittab 脚本文件，在这个文件里描述了每 一个 Sys V 风格的系统的初始运行级别。此外，/etc/inittab 设置了默认的运 行级别，并在任何运行级别下都运行/sbin/update 程序。 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 ：

9、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 ini ttab 文件的开头。 (3) action 域指出的是 init 程序执行

10、 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/et c/rc.d/rc.sysinit，这是一个脚本文

11、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

12、 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。 接下来，init 程序为

13、系统设置基本功能库，/etc/rc.d/init.d/functions。通过 它可以启动或是杀掉一个程序，以及决定一个进程的 PID。 提示：提示：当系统完成启动后，你同样可以用 root 用户登录系统，通过执行同 样的脚本来开始或结束某项服务，而不管当前运行级别是什么。比如：命令 /etc/rc.d/init.d/httpd stop 将会关闭 Apache Web 服务。观察每个符号链接名，会发现名称里都编进了一个号码，init 程序就是根据 这个号码来决定启动或关闭服务的顺序的，越小的号码会预示着这个服务会被 越早启动或关闭，如果号码相同则由按字母排序来决定启动顺序。 注意：注意：In

14、it 程序最后要做的一件事情是执行/etc/rc.d/rc.local 文件，这个文件 是用于系统定制的。当处理完运行级别对应的 rc 目录后，/etc/inittab 脚本会为分配的每一个虚 拟控制台创建一个/sbin/mingetty 进程，级别为 2 到 5 时可以一共有 6 个控制台， 级别出 1 只有一个，而级别 0 和 6 根本就没有。/sbin/mingetty 进程打开一个到 tty 设备的通信通道，设置通信模式，提示用户登录，取得用户名以及为用户启 动一个相应的进程。 如果运行级别是 5, /etc/inittab 执行一个名为/etc/X11/prefdm 的脚本。这个脚

15、本会提示图像界面给用户，具体如何提示取决于/etc/sysconfig/desktop 文件。作为一个软件开发者，你会创建，打开，操作内核对象。系统会创建和 操作多种类型的内核对象，例如 access token 对象， event 对象，file 对象， file-mapping 对象，I/O 完成端口对象，job 对象，mailslot 对象，mutex 对象， pipe 对象，process 对象,semaphore 对象，thread 对象，waitable time 对象，和 threa pool worker factory 对象.有一个自由的 WinObj 工具允许你看到所有的内

16、核 对象列表。(地址为:)注意你必须在 Administrator 下运行他，通过 Windows Explorer 你能看到 它的列表。 这些对象通过调用各式各样的函数来创建，对象名不必映射到 kernel 级 别上使用的对象的类型上。例如：CreateFileMapping 函数使系统创建了一个与 Section 对象相关的文件映射，正如你在 WinObj 中看到的。每个内核对象只是 被内核分配的一块内存块。但只有内核可以访问。这个内存块是一个成员包括 对象的主要信息的数据结构。一些成员(安全描述，引用计数,等等)对所有的对 象类型来说是一样的。但是大多数是针对专门的类型。例如，一个 process 对象 有有一个 process ID，一个基本的优先级，和一个结束码，在什么地方有字节偏 移，共享模式，打开模式。因为内核对象数据结构仅仅可以被内核访问，所以一个应用程序就无法在 内存中定位这些数据结构以及直接改变它的内容。Microsoft 强制使用这种限制 是为了使内核对象结构保持一致性。这种限制也允许 Microsoft 增加，移除和改 变这些结构