Процесс запуска Linux - Linux startup process

Процесс запуска Linux это многоступенчатый процесс инициализации, выполняемый во время загрузка а Linux установка. Это во многом похоже на BSD и другие Unix процессы загрузки в стиле, из которых он происходит.

Загрузка установки Linux включает несколько этапов и программных компонентов, в том числе: прошивка инициализация, выполнение загрузчик, загрузка и запуск Ядро Linux имидж, а также выполнение различных сценарии запуска и демоны. Для каждого из этих этапов и компонентов существуют разные варианты и подходы; Например, GRUB, coreboot или Das U-Boot могут использоваться как загрузчики (исторические примеры LILO, SYSLINUX или Loadlin ), а сценарии запуска могут быть как традиционными в этом -style, или конфигурация системы может быть выполнена с помощью современных альтернатив, таких как systemd или Выскочка.

Обзор

Ранние этапы процесса запуска Linux во многом зависят от архитектуры компьютера. IBM PC совместимое оборудование - это одна из архитектур, на которой обычно используется Linux; в этих системах BIOS играет важную роль, которая может не иметь точных аналогов в других системах. В следующем примере предполагается оборудование, совместимое с IBM PC:

  1. BIOS выполняет задачи запуска, специфичные для текущего оборудование Платформа. Как только оборудование перечисленный и оборудование, необходимое для загрузки, инициализировано правильно, BIOS загружает и выполняет загрузочный код с настроенного загрузочного устройства.
  2. Загрузчик часто представляет пользователю меню возможных вариантов загрузки и имеет параметр по умолчанию, который выбирается по прошествии некоторого времени. После того, как выбор сделан, загрузчик загружает ядро ​​в память, передает ему некоторые параметры и передает управление.
  3. Ядро, если оно сжато, распакуется само. Затем он настраивает системные функции, такие как необходимое оборудование и подкачку памяти, и вызывает start_kernel () который выполняет большую часть настройки системы (прерывания, остальное управление памятью, инициализация устройства и драйвера и т. д.). Затем он запускает отдельно холостой процесс, планировщик и процесс инициализации, который выполняется в пространство пользователя.
  4. Инициализация состоит либо из сценариев, которые выполняются оболочкой (sysv, bsd, runit), либо из файлов конфигурации, которые выполняются двоичными компонентами (systemd, upstart). Init имеет определенные уровни (sysv, bsd) или цели (systemd), каждый из которых состоит из определенного набора служб (демонов). Они предоставляют различные службы и структуры, не относящиеся к операционной системе, и формируют пользовательскую среду. Типичная серверная среда запускает веб-сервер, службы базы данных и сеть.
  5. Типичный среда рабочего стола начинается с демона, называемого диспетчером отображения, который запускает графическую среду, состоящую из графического сервера, который предоставляет базовый базовый графический стек, и диспетчера входа в систему, который предоставляет возможность вводить учетные данные и выбирать сеанс. После того, как пользователь ввел правильные учетные данные, менеджер сеанса запускает сеанс. Сеанс - это набор программ, таких как элементы пользовательского интерфейса (панели, рабочие столы, апплеты и т. Д.), Которые вместе могут образовывать законченную среду рабочего стола.

При завершении работы вызывается init, чтобы закрыть все функции пользовательского пространства контролируемым образом. После завершения всех других процессов init выполняет системный вызов к ядру, давая ему команду выключить систему.

Фаза загрузчика

Фаза загрузчика зависит от архитектуры компьютера. Поскольку предыдущие этапы не относятся к операционной системе, процесс загрузки на основе BIOS для x86 и x86-64 архитектуры считается началом, когда Главная загрузочная запись (MBR) код выполняется в реальный режим и первая ступень загрузчик загружен. В UEFI систем, ядро ​​Linux может запускаться напрямую прошивкой UEFI через EFISTUB[1], но обычно используют GRUB 2 как загрузчик. Ниже приведены некоторые популярные загрузчики:

  • GRUB 2 отличается от GRUB 1 способностью автоматического определения различных операционных систем и автоматической настройки. Stage1 загружается и выполняется либо BIOS от Главная загрузочная запись (MBR). Загрузчик промежуточной ступени (ступень 1.5, обычно Загрузочная запись раздела или PBR) загружается и выполняется загрузчиком stage1. Загрузчик второго уровня (stage2, / boot / grub / files) загружается на stage1.5 и отображает меню запуска GRUB, которое позволяет пользователю выбрать операционную систему или проверить и изменить параметры запуска. После выбора пункта меню и указания дополнительных параметров GRUB загружает ядро ​​в память и передает ему управление. GRUB 2 также может загружать по цепочке другой загрузчик. В UEFI систем, stage1 и stage1.5 обычно являются одним и тем же файлом приложения UEFI (например, grubx64.efi для x64 Системы UEFI).
  • SYSLINUX / ISOLINUX - это загрузчик, который специализируется на загрузке полных установок Linux из файловых систем FAT. Его часто используют для загрузочных или аварийных дискет, живые USB и другие облегченные загрузочные системы. ISOLINUX обычно используется Linux живые компакт-диски и загрузочные установочные компакт-диски.
  • REFInd, загрузчик для UEFI системы.
  • coreboot это бесплатная реализация UEFI или BIOS и обычно развертывается с системная плата, а также обновления на месте, предоставленные поставщиком, если это необходимо. Части coreboot становятся BIOS системы и остаются в памяти после загрузки.
  • Das U-Boot это загрузчик для встраиваемых систем. Он используется в системах, в которых нет BIOS / UEFI, а используются специальные методы для чтения загрузчика в память и его выполнения.

Исторические загрузчики, которые в настоящее время не используются, кроме как для устаревших систем

  • LILO не понимает и не анализирует структуру файловой системы. Вместо этого файл конфигурации (/etc/lilo.conf) создается в живой системе, которая отображает необработанную информацию о смещении (инструмент сопоставления) о расположении ядер и RAM-дисков (initrd или initramfs). Файл конфигурации, который включает такие данные, как загрузка раздел и ядро путь для каждого из них, а также при необходимости настраиваемые параметры записываются вместе с кодом загрузчика в загрузочный сектор MBR. Когда этот загрузочный сектор считывается и передается управление BIOS, LILO загружает код меню и рисует его, а затем использует сохраненные значения вместе с пользовательским вводом для расчета и загрузки ядра Linux или цепная нагрузка любой другой загрузчик.
  • GRUB 1 включает логику для чтения общих файловых систем во время выполнения для доступа к своему файлу конфигурации.[2] Это дает GRUB 1 возможность читать свой файл конфигурации из файловой системы, а не встраивать его в MBR, что позволяет ему изменять конфигурацию во время выполнения и указывать диски и разделы в удобочитаемом формате, а не полагаться на смещения. Он также содержит Интерфейс командной строки, что упрощает исправление или изменение GRUB, если он неправильно настроен или поврежден.[3]
  • Loadlin это загрузчик, который может заменить работающий ДОС или Windows 9x ядро с ядром Linux во время выполнения. Это может быть полезно в случае аппаратного обеспечения, которое необходимо включать с помощью программного обеспечения, и для которого такие программы настройки являются проприетарными и доступны только для DOS. В настоящее время этот метод загрузки менее необходим, поскольку в Linux есть драйверы для множества аппаратных устройств, но он нашел некоторое применение в мобильные устройства. Другой вариант использования - когда Linux находится на запоминающем устройстве, недоступном для загрузки в BIOS: DOS или Windows могут загрузить соответствующие драйверы, чтобы компенсировать ограничение BIOS, и загрузить Linux оттуда.

Фаза ядра

В ядро в Linux обрабатывает все процессы операционной системы, такие как управление памятью, задача планирование, Ввод / вывод, межпроцессного взаимодействия, и общий контроль системы. Это загружается в два этапа: на первом этапе ядро ​​(в виде сжатого файла изображения) загружается в память и распаковывается, а также настраиваются несколько основных функций, таких как базовое управление памятью. Затем управление в последний раз передается процессу запуска основного ядра. Когда ядро ​​полностью готово к работе - и как часть своего запуска, после загрузки и выполнения - ядро ​​ищет процесс инициализации для запуска, который (отдельно) настраивает пользовательское пространство и процессы, необходимые для пользовательской среды и окончательного входа в систему. Самому ядру затем разрешается бездействовать при вызове других процессов.

Для некоторых платформ (например, 64-битной ARM) распаковка ядра должна выполняться загрузчиком.

Этап загрузки ядра

Ядро обычно загружается как файл изображения, сжатый либо в zImage или bzImage форматы с zlib. Начальная процедура выполняет минимальную настройку оборудования, полностью распаковывает образ в высокая память, и принимает к сведению любые RAM-диск если настроено.[4] Затем он выполняет запуск ядра через ./arch/i386/boot/head и startup_32 () (для процессоров на базе x86) процесс.

Стадия запуска ядра

Функция запуска ядра (также называемая swapper или процессом 0) устанавливает управление памятью (таблицы подкачки и подкачки памяти), определяет тип ЦПУ и любые дополнительные функции, такие как плавающая точка возможностей, а затем переключается на функциональность ядра Linux, не зависящую от архитектуры, с помощью вызова start_kernel ().[5]

start_kernel выполняет широкий спектр функций инициализации. Он устанавливает обработка прерываний (IRQ ), далее настраивает память, запускает процесс Init (первый процесс пользовательского пространства), а затем запускает простаивающую задачу через cpu_idle (). Примечательно, что процесс запуска ядра также монтирует начальный RAM-диск ("initrd"), который был загружен ранее как временная корневая файловая система на этапе загрузки. Initrd позволяет загружать модули драйверов непосредственно из памяти, не полагаясь на другие устройства (например, жесткий диск) и драйверы, необходимые для доступа к ним (например, драйвер SATA). Такое разделение некоторых драйверов, статически скомпилированных в ядро, и других драйверов, загружаемых из initrd, позволяет уменьшить размер ядра. Корневая файловая система позже переключается через вызов pivot_root () который отключает временную корневую файловую систему и заменяет ее реальной, как только последняя становится доступной. Затем восстанавливается память, используемая временной корневой файловой системой.

Таким образом, ядро ​​инициализирует устройства, монтирует корневую файловую систему, указанную загрузчиком как только чтение, и работает В этом (/ sbin / init), который обозначается как первый процесс, запущенный системой (PID = 1).[6] Сообщение выводится ядром при монтировании файловой системы и Init при запуске процесса Init. Он также может опционально запускать Initrd[требуется разъяснение ] чтобы разрешить настройку и вопросы, связанные с устройством (RAM-диск или аналогичный), который необходимо обработать до монтирования корневой файловой системы.[6]

Согласно с Красная Шапка поэтому подробный процесс ядра на этом этапе резюмируется следующим образом:[2]

"Когда ядро ​​загружено, оно немедленно инициализирует и настраивает память компьютера и настраивает различное оборудование, подключенное к системе, включая все процессоры, подсистемы ввода-вывода и устройства хранения. Затем оно ищет сжатый образ initrd в заранее определенном месте. в памяти, распаковывает его, монтирует и загружает все необходимые драйверы. Затем он инициализирует виртуальные устройства, связанные с файловой системой, например LVM или программное обеспечение RAID перед размонтированием initrd образ диска и освобождает всю память, которую когда-то занимал образ диска. Затем ядро ​​создает корневое устройство,[требуется разъяснение ] монтирует корневой раздел только для чтения и освобождает всю неиспользуемую память. На этом этапе ядро ​​загружено в память и готово к работе. Однако, поскольку нет пользовательских приложений, которые позволяют вводить значимые данные в систему, с ним мало что можно сделать ». Загрузка в стиле initramfs похожа, но не идентична описанной загрузке initrd.

На этом этапе, с включенными прерываниями, планировщик может взять под контроль общее управление системой, чтобы обеспечить упреждающую многозадачность, а процессу инициализации остается продолжить загрузку пользовательской среды в пользовательском пространстве.

Пространство раннего пользователя

Основная статья: initramfs

initramfs, также известен как раннее пользовательское пространство, доступен с версии 2.5.46 ядра Linux,[7] с намерением заменить как можно больше функций, которые раньше ядро ​​выполняло бы во время процесса запуска. Типичное использование раннего пользовательского пространства - определение того, что драйверы устройств необходимы для загрузки основной файловой системы пользовательского пространства и загрузки их из временная файловая система. Многие дистрибутивы используют дракута для создания и поддержки образа initramfs.

Процесс инициализации

После запуска ядра запускается процесс инициализации. Исторически это был «SysV init», который назывался просто «init». Более поздние дистрибутивы Linux, вероятно, будут использовать одну из более современных альтернатив, такую ​​как «systemd».

В основном они сгруппированы как операционная система сервис-менеджмент.

SysV init

Основная статья: В этом

init является родительским для всех процессов в системе, он выполняется ядром и отвечает за запуск всех других процессов; это родитель всех процессов, чьи естественные родители умерли, и он отвечает за пожатие тех, когда они умирают. Процессы, управляемые init, называются заданиями и определяются файлами в / etc / init каталог.

— страница руководства для Init[8]

Задача Init - "заставить все работать так, как должно быть"[9] как только ядро ​​полностью запустится. По сути, он устанавливает и управляет всей пространство пользователя. Это включает проверку и монтаж файловые системы, запуск необходимых пользовательских служб и, в конечном итоге, переключение на пользовательскую среду после завершения запуска системы. Это похоже на Unix и BSD init, от которых он произошел, но в некоторых случаях разошелся или стал настраиваться. В стандартной системе Linux Init выполняется с параметром, известным как уровень выполнения, который принимает значение от 0 до 6 и определяет, какие подсистемы должны быть задействованы. У каждого уровня выполнения свой скрипты которые кодифицируют различные процессы, участвующие в настройке или выходе из данного уровня запуска, и именно на эти сценарии при необходимости ссылаются в процессе загрузки. Скрипты инициализации обычно хранятся в каталогах с такими именами, как "/ etc / rc ...". Файл конфигурации верхнего уровня для init находится по адресу / etc / inittab.[9]

Во время загрузки системы он проверяет, указан ли уровень запуска по умолчанию в / etc / inittab, и запрашивает уровень запуска для входа через системная консоль если не. Затем он переходит к запуску всех соответствующих сценариев загрузки для данного уровня запуска, включая загрузку модули, проверяя целостность корневой файловой системы (которая была смонтирована только для чтения), а затем перемонтировали ее для полного доступа для чтения и записи, а также настраивает сеть.[6]

После того, как он запустил все указанные процессы, init переходит в неактивное состояние и ожидает одного из трех событий: процессы, которые начали завершаться или умирают, сигнал сбоя питания,[требуется разъяснение ] или запрос через / sbin / telinit для дальнейшего изменения уровня выполнения.[8]

Это относится к SysV -стиль инициализации.

systemd

Основная статья: systemd

Разработчики systemd стремились заменить систему инициализации Linux, унаследованную от операционных систем UNIX System V и Berkeley Software Distribution (BSD). Как и init, systemd - это демон, который управляет другими демонами. Все демоны, включая systemd, являются фоновые процессы. Systemd - это первый демон, который запускается (во время загрузки) и последний демон, который завершает работу (во время загрузки). неисправность ).

Леннарт Поеттеринг и Кей Сиверс, инженеры-программисты, которые изначально разработали systemd,[10] стремился превзойти по эффективности демон init несколькими способами. Они хотели улучшить программную структуру для выражения зависимостей, чтобы можно было выполнять больше обработки в параллельно во время загрузки системы и для уменьшения вычислительные накладные расходы из оболочка.

Инструкции по инициализации Systemd для каждого демона записываются в декларативном файле конфигурации, а не в сценарии оболочки. Для межпроцессного взаимодействия, systemd делает Доменные сокеты Unix и D-автобус доступный для запущенных демонов. Systemd также поддерживает агрессивное распараллеливание.

Выскочка

Основная статья: Upstart (программное обеспечение)

Традиционный процесс инициализации изначально отвечал только за приведение компьютера в нормальное рабочее состояние после включения питания или за корректное завершение работы служб перед завершением работы. В результате дизайн строго синхронный, блокировка будущие задачи, пока текущая не будет выполнена. Его задачи также должны быть определены заранее, поскольку они ограничиваются этой функцией подготовки или очистки. Это делает его неспособным обрабатывать различные задачи, не связанные с запуском, на современном компьютере. настольный компьютер.

Upstart работает асинхронно; он обрабатывает запуск задач и служб во время загрузки и останавливает их во время выключения, а также контролирует задачи и службы во время работы системы.

Легкий переход и идеальный Обратная совместимость с sysvinit были явные цели дизайна;[11] соответственно, Upstart может запускать неизмененные сценарии sysvinit. Этим он отличается от большинства других замен init (кроме systemd и OpenRC ), которые обычно предполагают и требуют полного перехода для правильной работы и не поддерживают смешанную среду традиционных и новых методов запуска.[12]

Upstart позволяет расширять свою модель событий с помощью initctl для ввода пользовательских, отдельных событий или мостов событий для интеграции многих или более сложных событий.[13] По умолчанию Upstart включает мосты для событий socket, dbus, udev, file и dconf; кроме того, больше мостов (например, Мах мост портов или devd (можно найти на FreeBSD системы) мост) возможны.[14]

запустить его

Основная статья: запустить его

Runit - это схема инициализации для Unix-подобных операционных систем, которая инициализирует, контролирует, и завершает процессы в операционной системе. Это повторная реализация DAEMON Tools[15] набор инструментов для наблюдения за процессами, который работает в операционных системах Linux, Mac OS X, * BSD и Solaris. Runit обеспечивает распараллеливание запуска системных служб, что может ускорить время загрузки операционной системы.[16]

Runit - это демон инициализации, поэтому он может быть прямым или косвенным предок всех других процессов. Это первый процесс, запускаемый во время загрузки, который продолжается до завершения работы системы.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ "Заглушка ядра EFI - Gentoo Wiki". wiki.gentoo.org. Получено 2020-11-02.
  2. ^ а б «Документация по продукту». Redhat.com. 2013-09-30. Получено 2014-01-22.
  3. ^ «Документация по продукту». Redhat.com. 2013-09-30. Получено 2014-01-22.
  4. ^ "Описание IBM процесса загрузки Linux". Архивировано 31 мая 2008 года.. Получено 2007-04-03.CS1 maint: BOT: статус исходного URL-адреса неизвестен (ссылка на сайт)
  5. ^ «Внутри процесса загрузки Linux». www.ibm.com. 31 мая 2006 г.
  6. ^ а б c http://oldfield.wattle.id.au/luv/boot.html Процесс загрузки Linux - Ким Олдфилд (2001)
  7. ^ "Initramfs прибывает". Получено 14 ноября 2011.
  8. ^ а б "в этом". man.he.net.
  9. ^ а б "От включения питания до приглашения Bash: инициализация". users.cecs.anu.edu.au.
  10. ^ "systemd README". freedesktop.org. Получено 2012-09-09.
  11. ^ "Выскочка", Стартовая площадка, Ubuntu
  12. ^ «Обсуждение дизайна и реализации Upstart», Ubuntu вики, Канонический
  13. ^ "initctl emit". Поваренная книга выскочки. Канонический. Получено 26 января 2014.
  14. ^ "Мосты". Поваренная книга выскочки. Канонический. Получено 26 января 2014.
  15. ^ Перселл, Стив (11 ноября 2007 г.). «Сценарии инициализации считаются вредоносными». sanityinc.com. Получено 12 декабря 2013.
  16. ^ Папе, Геррит. «рунит - преимущества». Получено 23 апреля 2013.

внешние ссылки