理解運轉(zhuǎn)良好的系統(tǒng)對于處理不可避免的故障是最好的準備。
關于開源軟件最古老的笑話是：“代碼是自具文檔化的self-documenting”。經(jīng)驗表明，閱讀源代碼就像聽天氣預報一樣：明智的人依然出門會看看室外的天氣。本文講述了如何運用調(diào)試工具來觀察和分析 Linux 系統(tǒng)的啟動。分析一個功能正常的系統(tǒng)啟動過程，有助于用戶和開發(fā)人員應對不可避免的故障。
從某些方面看，啟動過程非常簡單。內(nèi)核在單核上以單線程和同步狀態(tài)啟動，似乎可以理解。但內(nèi)核本身是如何啟動的呢?initrd(initial ramdisk) 和引導程序bootloader具有哪些功能?還有，為什么以太網(wǎng)端口上的 LED 燈是常亮的呢?
請繼續(xù)閱讀尋找答案。在 GitHub 上也提供了 介紹演示和練習的代碼。
啟動的開始：OFF 狀態(tài)
局域網(wǎng)喚醒Wake-on-LAN
OFF 狀態(tài)表示系統(tǒng)沒有上電，沒錯吧?表面簡單，其實不然。例如，如果系統(tǒng)啟用了局域網(wǎng)喚醒機制(WOL)，以太網(wǎng)指示燈將亮起。通過以下命令來檢查是否是這種情況：
# sudo ethtool
其中 是網(wǎng)絡接口的名字，比如 eth0。(ethtool 可以在同名的 Linux 軟件包中找到。)如果輸出中的 Wake-on 顯示 g，則遠程主機可以通過發(fā)送 魔法數(shù)據(jù)包MagicPacket 來啟動系統(tǒng)。如果您無意遠程喚醒系統(tǒng)，也不希望其他人這樣做，請在系統(tǒng) BIOS 菜單中將 WOL 關閉，或者用以下方式：
# sudo ethtool -s wol d
響應魔法數(shù)據(jù)包的處理器可能是網(wǎng)絡接口的一部分，也可能是 底板管理控制器Baseboard Management Controller(BMC)。
英特爾管理引擎、平臺控制器單元和 Minix
BMC 不是唯一的在系統(tǒng)關閉時仍在監(jiān)聽的微控制器(MCU)。x86_64 系統(tǒng)還包含了用于遠程管理系統(tǒng)的英特爾管理引擎(IME)軟件套件。從服務器到筆記本電腦，各種各樣的設備都包含了這項技術，它開啟了如 KVM 遠程控制和英特爾功能許可服務等 功能。根據(jù) Intel 自己的檢測工具，IME 存在尚未修補的漏洞。壞消息是，要禁用 IME 很難。Trammell Hudson 發(fā)起了一個 me_cleaner 項目，它可以清除一些相對惡劣的 IME 組件，比如嵌入式 Web 服務器，但也可能會影響運行它的系統(tǒng)。
IME 固件和系統(tǒng)管理模式System Management Mode(SMM)軟件是 基于 Minix 操作系統(tǒng) 的，并運行在單獨的平臺控制器單元Platform Controller Hub上(LCTT 譯注：即南橋芯片)，而不是主 CPU 上。然后，SMM 啟動位于主處理器上的通用可擴展固件接口Universal Extensible Firmware Interface(UEFI)軟件，相關內(nèi)容 已被提及多次。Google 的 Coreboot 小組已經(jīng)啟動了一個雄心勃勃的 非擴展性縮減版固件Non-Extensible Reduced Firmware(NERF)項目，其目的不僅是要取代 UEFI，還要取代早期的 Linux 用戶空間組件，如 systemd。在我們等待這些新成果的同時，Linux 用戶現(xiàn)在就可以從 Purism、System76 或 Dell 等處購買 禁用了 IME 的筆記本電腦，另外 帶有 ARM 64 位處理器筆記本電腦 還是值得期待的。
引導程序
除了啟動那些問題不斷的間諜軟件外，早期引導固件還有什么功能呢?引導程序的作用是為新上電的處理器提供通用操作系統(tǒng)(如 Linux)所需的資源。在開機時，不但沒有虛擬內(nèi)存，在控制器啟動之前連 DRAM 也沒有。然后，引導程序打開電源，并掃描總線和接口，以定位內(nèi)核鏡像和根文件系統(tǒng)的位置。U-Boot 和 GRUB 等常見的引導程序支持 USB、PCI 和 NFS 等接口，以及更多的嵌入式專用設備，如 NOR 閃存和 NAND 閃存。引導程序還與 可信平臺模塊Trusted Platform Module(TPM)等硬件安全設備進行交互，在啟動最開始建立信任鏈。
在構(gòu)建主機上的沙盒中運行 U-boot 引導程序。
包括樹莓派、任天堂設備、汽車主板和 Chromebook 在內(nèi)的系統(tǒng)都支持廣泛使用的開源引導程序 U-Boot。它沒有系統(tǒng)日志，當發(fā)生問題時，甚至沒有任何控制臺輸出。為了便于調(diào)試，U-Boot 團隊提供了一個沙盒，可以在構(gòu)建主機甚至是夜間的持續(xù)集成(CI)系統(tǒng)上測試補丁程序。如果系統(tǒng)上安裝了 Git 和 GNU Compiler Collection(GCC)等通用的開發(fā)工具，使用 U-Boot 沙盒會相對簡單：
# git clone git://git.denx.de/u-boot; cd u-boot
# make ARCH=sandbox defconfig
# make; ./u-boot
=> printenv
=> help
在 x86_64 上運行 U-Boot，可以測試一些棘手的功能，如 模擬存儲設備 的重新分區(qū)、基于 TPM 的密鑰操作以及 USB 設備熱插拔等。U-Boot 沙盒甚至可以在 GDB 調(diào)試器下單步執(zhí)行。使用沙盒進行開發(fā)的速度比將引導程序刷新到電路板上的測試快 10 倍，并且可以使用 Ctrl + C 恢復一個“變磚”的沙盒。
啟動內(nèi)核
配置引導內(nèi)核
引導程序完成任務后將跳轉(zhuǎn)到已加載到主內(nèi)存中的內(nèi)核代碼，并開始執(zhí)行，傳遞用戶指定的任何命令行選項。內(nèi)核是什么樣的程序呢?用命令 file /boot/vmlinuz 可以看到它是一個 “bzImage”，意思是一個大的壓縮的鏡像。Linux 源代碼樹包含了一個可以解壓縮這個文件的工具—— extract-vmlinux：
# scripts/extract-vmlinux /boot/vmlinuz-$(uname -r) > vmlinux
# file vmlinux
vmlinux: ELF64-bit LSB executable,x86-64,version1(SYSV),statically
linked,stripped
內(nèi)核是一個 可執(zhí)行與可鏈接格式 Executable and Linking Format(ELF)的二進制文件，就像 Linux 的用戶空間程序一樣。這意味著我們可以使用 binutils 包中的命令，如 readelf 來檢查它。比較一下輸出，例如：
# readelf -S /bin/date
# readelf -S vmlinux
這兩個二進制文件中的段內(nèi)容大致相同。
所以內(nèi)核必須像其他的 Linux ELF 文件一樣啟動，但用戶空間程序是如何啟動的呢?在 main() 函數(shù)中?并不確切。
在 main() 函數(shù)運行之前，程序需要一個執(zhí)行上下文，包括堆棧內(nèi)存以及 stdio、stdout 和 stderr 的文件描述符。用戶空間程序從標準庫(多數(shù) Linux 系統(tǒng)在用 “glibc”)中獲取這些資源。參照以下輸出：[!--empirenews.page--]
# file /bin/date
/bin/date: ELF64-bit LSB shared object,x86-64,version1(SYSV),dynamically
linked,interpreter /lib64/ld-linux-x86-64.so.2,forGNU/Linux2.6.32,
BuildID[sha1]=14e8563676febeb06d701dbee35d225c5a8e565a,
stripped
ELF 二進制文件有一個解釋器，就像 Bash 和 Python 腳本一樣，但是解釋器不需要像腳本那樣用 #! 指定，因為 ELF 是 Linux 的原生格式。ELF 解釋器通過調(diào)用 _start() 函數(shù)來用所需資源 配置一個二進制文件，這個函數(shù)可以從 glibc 源代碼包中找到，可以 用 GDB 查看。內(nèi)核顯然沒有解釋器，必須自我配置，這是怎么做到的呢?
用 GDB 檢查內(nèi)核的啟動給出了答案。首先安裝內(nèi)核的調(diào)試軟件包，內(nèi)核中包含一個未剝離的unstripped vmlinux，例如 apt-get install linux-image-amd64-dbg，或者從源代碼編譯和安裝你自己的內(nèi)核，可以參照 Debian Kernel Handbook 中的指令。gdb vmlinux 后加 info files 可顯示 ELF 段 init.text。在 init.text 中用 l *(address) 列出程序執(zhí)行的開頭，其中 address 是 init.text 的十六進制開頭。用 GDB 可以看到 x86_64 內(nèi)核從內(nèi)核文件 arch/x86/kernel/head_64.S 開始啟動，在這個文件中我們找到了匯編函數(shù) start_cpu0()，以及一段明確的代碼顯示在調(diào)用 x86_64 start_kernel() 函數(shù)之前創(chuàng)建了堆棧并解壓了 zImage。ARM 32 位內(nèi)核也有類似的文件 arch/arm/kernel/head.S。start_kernel() 不針對特定的體系結(jié)構(gòu)，所以這個函數(shù)駐留在內(nèi)核的 init/main.c 中。start_kernel() 可以說是 Linux 真正的 main() 函數(shù)。
從 start_kernel() 到 PID 1
內(nèi)核的硬件清單：設備樹和 ACPI 表
在引導時，內(nèi)核需要硬件信息，不僅僅是已編譯過的處理器類型。代碼中的指令通過單獨存儲的配置數(shù)據(jù)進行擴充。有兩種主要的數(shù)據(jù)存儲方法：設備樹device-tree 和 高級配置和電源接口(ACPI)表。內(nèi)核通過讀取這些文件了解每次啟動時需要運行的硬件。
對于嵌入式設備，設備樹是已安裝硬件的清單。設備樹只是一個與內(nèi)核源代碼同時編譯的文件，通常與 vmlinux 一樣位于 /boot 目錄中。要查看 ARM 設備上的設備樹的內(nèi)容，只需對名稱與 /boot/*.dtb 匹配的文件執(zhí)行 binutils 包中的 strings 命令即可，這里 dtb 是指設備樹二進制文件device-tree binary。顯然，只需編輯構(gòu)成它的類 JSON 的文件并重新運行隨內(nèi)核源代碼提供的特殊 dtc 編譯器即可修改設備樹。雖然設備樹是一個靜態(tài)文件，其文件路徑通常由命令行引導程序傳遞給內(nèi)核，但近年來增加了一個 設備樹覆蓋 的功能，內(nèi)核在啟動后可以動態(tài)加載熱插拔的附加設備。
x86 系列和許多企業(yè)級的 ARM64 設備使用 ACPI 機制。與設備樹不同的是，ACPI 信息存儲在內(nèi)核在啟動時通過訪問板載 ROM 而創(chuàng)建的 /sys/firmware/acpi/tables 虛擬文件系統(tǒng)中。讀取 ACPI 表的簡單方法是使用 acpica-tools 包中的 acpidump 命令。例如：
聯(lián)想筆記本電腦的 ACPI 表都是為 Windows 2001 設置的。
是的，你的 Linux 系統(tǒng)已經(jīng)準備好用于 Windows 2001 了，你要考慮安裝嗎?與設備樹不同，ACPI 具有方法和數(shù)據(jù)，而設備樹更多地是一種硬件描述語言。ACPI 方法在啟動后仍處于活動狀態(tài)。例如，運行 acpi_listen 命令(在 apcid 包中)，然后打開和關閉筆記本機蓋會發(fā)現(xiàn) ACPI 功能一直在運行。暫時地和動態(tài)地 覆蓋 ACPI 表 是可能的，而永久地改變它需要在引導時與 BIOS 菜單交互或刷新 ROM。如果你遇到那么多麻煩，也許你應該 安裝 coreboot，這是開源固件的替代品。
從 start_kernel() 到用戶空間
init/main.c 中的代碼竟然是可讀的，而且有趣的是，它仍然在使用 1991 – 1992 年的 Linus Torvalds 的原始版權。在一個剛啟動的系統(tǒng)上運行 dmesg | head，其輸出主要來源于此文件。第一個 CPU 注冊到系統(tǒng)中，全局數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被初始化，并且調(diào)度程序、中斷處理程序(IRQ)、定時器和控制臺按照嚴格的順序逐一啟動。在 timekeeping_init() 函數(shù)運行之前，所有的時間戳都是零。內(nèi)核初始化的這部分是同步的，也就是說執(zhí)行只發(fā)生在一個線程中，在最后一個完成并返回之前，沒有任何函數(shù)會被執(zhí)行。因此，即使在兩個系統(tǒng)之間，dmesg的輸出也是完全可重復的，只要它們具有相同的設備樹或 ACPI 表。Linux 的行為就像在 MCU 上運行的 RTOS(實時操作系統(tǒng))一樣，如 QNX 或 VxWorks。這種情況持續(xù)存在于函數(shù) rest_init() 中，該函數(shù)在終止時由 start_kernel() 調(diào)用。
早期的內(nèi)核啟動流程。
函數(shù) rest_init() 產(chǎn)生了一個新進程以運行 kernel_init()，并調(diào)用了 do_initcalls()。用戶可以通過將 initcall_debug 附加到內(nèi)核命令行來監(jiān)控 initcalls，這樣每運行一次 initcall 函數(shù)就會產(chǎn)生 一個 dmesg 條目。initcalls 會歷經(jīng)七個連續(xù)的級別：early、core、postcore、arch、subsys、fs、device 和 late。initcalls 最為用戶可見的部分是所有處理器外圍設備的探測和設置：總線、網(wǎng)絡、存儲和顯示器等等，同時加載其內(nèi)核模塊。rest_init() 也會在引導處理器上產(chǎn)生第二個線程，它首先運行 cpu_idle()，然后等待調(diào)度器分配工作。
kernel_init() 也可以 設置對稱多處理(SMP)結(jié)構(gòu)。在較新的內(nèi)核中，如果 dmesg 的輸出中出現(xiàn) “Bringing up secondary CPUs…” 等字樣，系統(tǒng)便使用了 SMP。SMP 通過“熱插拔” CPU 來進行，這意味著它用狀態(tài)機來管理其生命周期，這種狀態(tài)機在概念上類似于熱插拔的 U 盤一樣。內(nèi)核的電源管理系統(tǒng)經(jīng)常會使某個核core離線，然后根據(jù)需要將其喚醒，以便在不忙的機器上反復調(diào)用同一段的 CPU 熱插拔代碼。觀察電源管理系統(tǒng)調(diào)用 CPU 熱插拔代碼的 BCC 工具 稱為 offcputime.py。[!--empirenews.page--]
請注意，init/main.c 中的代碼在 smp_init() 運行時幾乎已執(zhí)行完畢：引導處理器已經(jīng)完成了大部分一次性初始化操作，其它核無需重復。盡管如此，跨 CPU 的線程仍然要在每個核上生成，以管理每個核的中斷(IRQ)、工作隊列、定時器和電源事件。例如，通過 ps -o psr 命令可以查看服務每個 CPU 上的線程的 softirqs 和 workqueues。
# ps -o pid,psr,comm $(pgrep ksoftirqd)
PID PSR COMMAND
7 0ksoftirqd/0
16 1ksoftirqd/1
22 2ksoftirqd/2
28 3ksoftirqd/3
# ps -o pid,psr,comm $(pgrep kworker)
PID PSR COMMAND
4 0kworker/0:0H
18 1kworker/1:0H
24 2kworker/2:0H
30 3kworker/3:0H
[...]
其中，PSR 字段代表“處理器processor”。每個核還必須擁有自己的定時器和 cpuhp 熱插拔處理程序。
那么用戶空間是如何啟動的呢?在最后，kernel_init() 尋找可以代表它執(zhí)行 init 進程的 initrd。如果沒有找到，內(nèi)核直接執(zhí)行 init 本身。那么為什么需要 initrd 呢?
早期的用戶空間：誰規(guī)定要用 initrd?
除了設備樹之外，在啟動時可以提供給內(nèi)核的另一個文件路徑是 initrd 的路徑。initrd 通常位于 /boot 目錄中，與 x86 系統(tǒng)中的 bzImage 文件 vmlinuz 一樣，或是與 ARM 系統(tǒng)中的 uImage 和設備樹相同。用 initramfs-tools-core 軟件包中的 lsinitramfs 工具可以列出 initrd 的內(nèi)容。發(fā)行版的 initrd 方案包含了最小化的 /bin、/sbin 和 /etc 目錄以及內(nèi)核模塊，還有 /scripts 中的一些文件。所有這些看起來都很熟悉，因為 initrd 大致上是一個簡單的最小化 Linux 根文件系統(tǒng)?？此葡嗨疲鋵嵅蝗?，因為位于虛擬內(nèi)存盤中的 /bin 和 /sbin 目錄下的所有可執(zhí)行文件幾乎都是指向 BusyBox 二進制文件 的符號鏈接，由此導致 /bin 和 /sbin 目錄比 glibc 的小 10 倍。
如果要做的只是加載一些模塊，然后在普通的根文件系統(tǒng)上啟動 init，為什么還要創(chuàng)建一個 initrd 呢?想想一個加密的根文件系統(tǒng)，解密可能依賴于加載一個位于根文件系統(tǒng) /lib/modules 的內(nèi)核模塊，當然還有 initrd 中的。加密模塊可能被靜態(tài)地編譯到內(nèi)核中，而不是從文件加載，但有多種原因不希望這樣做。例如，用模塊靜態(tài)編譯內(nèi)核可能會使其太大而不能適應存儲空間，或者靜態(tài)編譯可能會違反軟件許可條款。不出所料，存儲、網(wǎng)絡和人類輸入設備(HID)驅(qū)動程序也可能存在于 initrd 中。initrd 基本上包含了任何掛載根文件系統(tǒng)所必需的非內(nèi)核代碼。initrd 也是用戶存放 自定義ACPI 表代碼的地方。
救援模式的 shell 和自定義的 initrd 還是很有意思的。
initrd 對測試文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲設備也很有用。將這些測試工具存放在 initrd 中，并從內(nèi)存中運行測試，而不是從被測對象中運行。
最后，當 init 開始運行時，系統(tǒng)就啟動啦!由于第二個處理器現(xiàn)在在運行，機器已經(jīng)成為我們所熟知和喜愛的異步、可搶占、不可預測和高性能的生物。的確，ps -o pid,psr,comm -p 1 很容易顯示用戶空間的 init 進程已不在引導處理器上運行了。
總結(jié)
Linux 引導過程聽起來或許令人生畏，即使是簡單嵌入式設備上的軟件數(shù)量也是如此。但換個角度來看，啟動過程相當簡單，因為啟動中沒有搶占、RCU 和競爭條件等撲朔迷離的復雜功能。只關注內(nèi)核和 PID 1 會忽略了引導程序和輔助處理器為運行內(nèi)核執(zhí)行的大量準備工作。雖然內(nèi)核在 Linux 程序中是獨一無二的，但通過一些檢查 ELF 文件的工具也可以了解其結(jié)構(gòu)。學習一個正常的啟動過程，可以幫助運維人員處理啟動的故障。
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