Linux系統啓動過程(通俗易懂)

前言：

　　Linux是一種自由和開放源代碼的類UNIX操做系統。該操做系統的內核由林納斯·託瓦茲在1991年10月5日首次發佈。在加上用戶空間的應用程序以後，成爲Linux操做系統。Linux是自由軟件和開放源代碼軟件發展中最著名的例子。

　　接觸Linux的時間也不算短了，一直都是直接使用Linux操做系統進行一些工做，不多去了解系統從開機到能使用的整個過程，感受有須要好好理解下整個系統的啓動過程，故寫這篇博客加深一下理解。

 

先經過一張圖來簡單瞭解下整個系統啓動的流程，整個過程基本能夠分爲POST-->BIOS-->MBR(GRUB)-->Kernel-->Init-->Runlevel。下面會詳細說明每一個過程的做用。

圖1-1：系統啓動流程

BIOS

　　BIOS(Basic Input/Output System)，基本輸入輸出系統，該系統存儲於主板的ROM芯片上，計算機在開機時，會最早讀取該系統，而後會有一個加電自檢過程，這個過程其實就是檢查CPU和內存，計算機最基本的組成單元(控制器、運算器和存儲器)，還會檢查其餘硬件，若沒有異常就開始加載BIOS程序到內存當中。詳細的BIOS功能，這邊就不說了，BIOS主要的一個功能就是存儲了磁盤的啓動順序，BIOS會按照啓動順序去查找第一個磁盤頭的MBR信息，並加載和執行MBR中的Bootloader程序，若第一個磁盤不存在MBR，則會繼續查找第二個磁盤(PS：啓動順序能夠在BIOS的界面中進行設置)，一旦BootLoader程序被檢測並加載內存中，BIOS就將控制權交接給了BootLoader程序。

 

MBR

　　MBR(Master Boot Record)，主引導記錄，MBR存儲於磁盤的頭部，大小爲512bytes，其中，446bytes用於存儲BootLoader程序，64bytes用於存儲分區表信息，最後2bytes用於MBR的有效性檢查。

 

GRUB

　　GRUB(Grand Unified Bootloader)，多系統啓動程序，其執行過程可分爲三個步驟：

　　　　Stage1：這個其實就是MBR，它的主要工做就是查找並加載第二段Bootloader程序(stage2)，但系統在沒啓動時，MBR根本找不到文件系統，也就找不到stage2所存放的位置，所以，就有了stage1_5

　　　　Stage1_5：該步驟就是爲了識別文件系統

　　　　Stage2：GRUB程序會根據/boot/grub/grub.conf文件查找Kernel的信息，而後開始加載Kernel程序，當Kernel程序被檢測並在加載到內存中，GRUB就將控制權交接給了Kernel程序。

　　　　PS：實際上這個步驟/boot還沒被掛載，GRUB直接識別grub所在磁盤的文件系統，因此實際上應該是/grub/grub.conf文件，該配置文件的信息以下：

　　　　grub.conf：　

　　　　#boot=/dev/sda

　　　　default=0        #設定默認啓動的title的編號，從0開始

　　　　timeout=5       #等待用戶選擇的超時時間

　　　　splashimage=(hd0,0)/boot/grub/splash.xpm.gz    #GRUB的背景圖片

　　　　hiddenmenu     #隱藏菜單

　　　　title CentOS (2.6.18-194.el5PAE)      #內核標題

　　　　　　　　root (hd0,0)         #內核文件所在的設備

　　　　　　　　kernel /vmlinuz-2.6.18-194.el5PAE ro root=LABEL=/     #內核文件路徑以及傳遞給內核的參數

　　　　　　　　initrd /initrd-2.6.18-194.el5PAE.img                            #ramdisk文件路徑

 

 

 Kernel

　　Kernel，內核，Kernel是Linux系統最主要的程序，實際上，Kernel的文件很小，只保留了最基本的模塊，並以壓縮的文件形式存儲在硬盤中，當GRUB將Kernel讀進內存，內存開始解壓縮內核文件。講內核啓動，應該先講下initrd這個文件，

　　initrd(Initial RAM Disk)，它在stage2這個步驟就被拷貝到了內存中，這個文件是在安裝系統時產生的，是一個臨時的根文件系統(rootfs)。由於Kernel爲了精簡，只保留了最基本的模塊，所以，Kernel上並無各類硬件的驅動程序，也就沒法識rootfs所在的設備，故產生了initrd這個文件，該文件裝載了必要的驅動模塊，當Kernel啓動時，能夠從initrd文件中裝載驅動模塊，直到掛載真正的rootfs，而後將initrd從內存中移除。

　　Kernel會以只讀方式掛載根文件系統，當根文件系統被掛載後，開始裝載第一個進程(用戶空間的進程)，執行/sbin/init，以後就將控制權交接給了init程序。

 

Init

　　init，初始化，顧名思義，該程序就是進行OS初始化操做，其實是根據/etc/inittab(定義了系統默認運行級別)設定的動做進行腳本的執行，第一個被執行的腳本爲/etc/rc.d/rc.sysinit，這個是真正的OS初始化腳本，簡單講下這個腳本的任務(能夠去看看實際腳本，看看都作了什麼)：

　　一、激活udev和selinux；二、根據/etc/sysctl.conf文件，來設定內核參數；三、設定系統時鐘；四、裝載硬盤映射；五、啓用交換分區；六、設置主機名；七、根文件系統檢測，並以讀寫方式從新掛載根文件系統；八、激活RAID和LVM設備；九、啓用磁盤配額；十、根據/etc/fstab，檢查並掛載其餘文件系統；十一、清理過時的鎖和PID文件

　　執行完後，根據配置的啓動級別，執行對應目錄底下的腳本，最後執行/etc/rc.d/rc.local這個腳本，至此，系統啓動完成。

　　

Runlevel

　　runlevel，運行級別，不一樣的級別會啓動的服務不同，init會根據定義的級別去執行相應目錄下的腳本，Linux的啓動級別分爲如下幾種

　　0：關機模式

　　1：單一用戶模式(直接以管理員身份進入)

　　2：多用戶模式（無網絡）

　　3：多用戶模式（命令行）

　　4：保留

　　5：多用戶模式（圖形界面）

　　6：重啓

 

　　在不一樣的運行級別下，/etc/rc.d/rc這個腳本會分別執行不一樣目錄下的腳本

• Run level 0 – /etc/rc.d/rc0.d/
• Run level 1 – /etc/rc.d/rc1.d/
• Run level 2 – /etc/rc.d/rc2.d/
• Run level 3 – /etc/rc.d/rc3.d/
• Run level 4 – /etc/rc.d/rc4.d/
• Run level 5 – /etc/rc.d/rc5.d/
• Run level 6 – /etc/rc.d/rc6.d/

　　這些目錄下的腳本只有K*和S*開頭的文件，K開頭的文件爲開機須要執行關閉的服務，S開頭的文件爲開機須要執行開啓的服務。