Linux系统启动流程

Linux系统启动流程

Linux系统从按下开机按钮到等待用户输入用户名、密码，这中间到底发生了什么，本文接下来将要简单讲解一下Linux系统的启动过程。

Linux系统启动流程大致是这样的：

BIOS(Boot Sequence) --> MBR(GRUB) --> Kernel --> initrd --> (ROOTFS)/sbin/init(/etc/inittab)

下面详细讲一下其中的每一步。

1. BIOS

BIOS是英文"Basic Input Output System"的缩略词，直译过来后中文名称就是"基本输入输出系统"。其实，它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序。
主板在接通电源后，BIOS会第一个获得系统的控制权。BIOS首先会对系统硬件进行检测（POST， Power On Self Test， 上电自检），自检测过程大致为：加电－CPU－ROM－BIOS－System Clock－DMA－64KB RAM－IRQ－显卡等。如果关键部件有问题，计算机会发出报警声。
自检一切正常后BIOS会调用一些设备自身ROM中的初始化代码，对这些设备进行初始化，比如显卡。这时可以看到一些初始化信息，介绍生产厂商、芯片类型等内容。
最后，BIOS会根据COMS中设置的启动顺序（Boot Sequence），依次尝试启动。当启动设备是硬盘时，BIOS会把系统控制权交给硬盘MBR中的bootloader。

2. MBR

MBR是Master Boot Record的简写， 即主引导记录。MBR记录一般在磁盘 0 磁道 1 扇区，共512个字节。前446个字节是BootLoader（引导程序），后 4*16 的 64 个字节是存放分区信息的，最后 2 个字节是校验信息，一般是
55AA。
大多数Linux系统使用GRUB作为BootLoader。GRUB可以引导多种操作系统，它可以识别磁盘文件系统的格式，所以只需要内核文件名和内核所在分区就可以加载内核，通过/boot/grub/grub.conf文体来配置这些信息。
GRUB是模块化的，运行时经历如下阶段：

Stage 1
Stage1 的代码保存在MBR中前446字节。
将MBR导出为文件后查看

# dd if=/dev/sda count=1 of=/tmp/MBR
1+0 records in
1+0 records out
512 bytes (512 B) copied, 0.000283544 s, 1.8 MB/s

# file /tmp/MBR
/tmp/MBR: x86 boot sector; GRand Unified Bootloader, stage1 version 0x3,
boot drive 0x80, 1st sector stage2 0x8480e, GRUB version 0.94;
partition 1: ID=0x83, active, starthead 32, startsector 2048, 1024000 sectors;
partition 2: ID=0x8e, starthead 221, startsector 1026048, 82860032 sectors,
code offset 0x48

/boot/grub/stage1 是stage 1未作修改的代码备份。

# file /boot/grub/stage1
/boot/grub/stage1: x86 boot sector; GRand Unified Bootloader, stage1 version 0x3,
GRUB version 0.94, code offset 0x48

Stage 1_5
Stage1_5的代码允许GRUB识别多种类型的文件系统，识别每个文件系统的代码的代码保存在/boot/grub/*stage1_5 的文件中。

# cd /boot/grub
# ls *stage1_5
e2fs_stage1_5  iso9660_stage1_5  reiserfs_stage1_5  xfs_stage1_5
fat_stage1_5   jfs_stage1_5      ufs2_stage1_5
ffs_stage1_5   minix_stage1_5    vstafs_stage1_5

Stage 2
Stage 2 代码读取/boot/grub/grub.conf文件，决定如何加载内核，Stage2的代码保存在文件/boot/grub/stage2中：

# ls -al /boot/grub/stage2
-rw-r--r--. 1 root root 125976 Jun 28  2012 /boot/grub/stage2

3. Kernel

GRUB的最后阶段stage2会根据/boot/grub/grub.conf文件中的配置加载kernel到内存中，并将系统控制权交给kernel。

4. initrd

initrd是"initial RAM disk"的缩写，随kernel一起被GRUB加载进内存，在系统引导过程中挂载的一个临时根文件系统。

Linux内核在设计风格上属于单内核，文件系统、进程管理、内存管理都需要内核来完成，这样势必会造成内核代码非常庞大。为了减少linux内核的大小，Linux系统内核被分成了内核和内核模块，内核会根据平台需要动态加载内核模块，非核心功能通常做成内核模块，比如大多数设备驱动。
这样势必会产生矛盾，比如，如果Linux内核中没有集成识别ext3文件系统的模块，而ext3模块却在ext3文件系统中。这时，Linux内核访问文件系统需要拿到这个模块，而这个模块又在文件系统中。这样就能看出使用initrd的必要了。

在linux 2.5内核开始引入initramfs技术，作用与initrd类似，都是 由内核执行其上的某个程序(initrd是/linuxrc, initramfs是/init)。区别是
/linuxrc不是以PID=1执行的, 因为 1这个进程ID是给/sbin/init保留的。initrd机制找到真正的根设备后将其设备号写入/proc/sys/kernel/real-root-dev, 然后控制转移到内核，由内核装载根文件系统并启动/sbin/init。initramfs机制中/init以PID=1执行，由init装载根文件系统并用exec转到真正的/sbin/init,
这样简化了启动流程，减少了启动时间。

5.init

/sbin/init进程是Linux启动的第一个进程，PID=1。Linux 系统的 init 进程经历了两次重大的演进，传统的 sysvinit 已经淡出历史舞台，新系统普遍采用 UpStart 和 systemd 。

sysvinit读取的一个主配置文件是/etc/inittab，文件格式参考这里，
inittab文件主要完成的配置有：
1. 定义默认启动级别
2. 系统初始化阶段调用rc.sysinit
3. 调用rc脚本，传入运行级别作为参数，启动和关闭对应级别的服务
4. ctrl+alt+del组合按键的动作
5. 6个虚拟终端
7. 运行级别为5时启动窗口显示管理器

而UpStart则仅保留sysvinit的inittab文件中默认启动级别，其它的配置分散到了/etc/init/*.conf多个文件中。

[rising@centos ~]$ ls /etc/init
control-alt-delete.conf  prefdm.conf         rcS-emergency.conf        readahead-disable-services.conf  tty.conf
init-system-dbus.conf    quit-plymouth.conf  rcS-sulogin.conf          serial.conf
kexec-disable.conf       rc.conf             readahead-collector.conf  splash-manager.conf
plymouth-shutdown.conf   rcS.conf            readahead.conf            start-ttys.conf

init程序(sysvinit)读取或运行的文件顺序如下：
init -> inittab -> rc.sysinit -> rc -> rc.local -> mingetty tty[1-6] -> X11/prefdm

/etc/inittab的任务：

1、设定默认运行级别；

2、运行系统初始化脚本；

3、运行指定运行级别对应的目录下的脚本；

4、设定Ctrl+Alt+Del组合键的操作；

5、定义UPS电源在电源故障/恢复时执行的操作；

6、启动虚拟终端(2345级别)；

7、启动图形终端(5级别)；

/etc/rc.d/rc.sysinit完成的任务：

1、激活udev和selinux；

2、根据/etc/sysctl.conf文件，来设定内核参数；

3、设定时钟时钟；

4、装载键盘映射；

5、启用交换分区；

6、设置主机名；

7、根文件系统检测，并以读写方式重新挂载；

8、激活RAID和LVM设备；

9、启用磁盘配额；

10、根据/etc/fstab，检查并挂载其它文件系统；

11、清理过期的锁和PID文件；

/etc/rc.d/rc文件中

有如下的shell代码，负责运行指定运行级别对应的目录下的脚本，接受一个参数作为运行级别
for I in /etc/rc$1.d/K*; do

$I stop

done

for I in /etc/rc$1.d/S*; do

$I start

done

关闭或启动的优先次序，数据越小越优先被选定

先关闭以K开头的服务，后启动以S开头的服务；

/etc/rc.d/rc.local：

系统最后执行的一个脚本。一般被链接为S99local，被/etc/rc.d/rc脚步执行。

mingetty
inittab文件中定义了多个虚拟终端运行的程序。mingetty会启动login程序进行身份验证。