Linux 操作系統(tǒng)啟動流程

1、Linux系統(tǒng)啟動的基本過程和步驟： Linux系統(tǒng)啟動過程大致按照如下步驟進(jìn)行（這是一個(gè)簡述）：第一階段：BIOS啟動引導(dǎo)階段；在該過程中實(shí)現(xiàn)硬件的初始化以及查找啟動介質(zhì)；從MBR中裝載啟動引導(dǎo)管理器（GRUB）并運(yùn)行該啟動引導(dǎo)管理第二階段：GRUB啟動引導(dǎo)階段；裝載stage1裝載stage1.5裝載stage2讀取/boot/grub.conf文件并顯示啟動菜單；裝載所選的kernel和initrd文件到內(nèi)存中；第三階段：內(nèi)核階段(kernel):運(yùn)行內(nèi)核啟動參數(shù)；解壓initrd文件并掛載initd文件系統(tǒng)，裝載必須的驅(qū)動；掛載根文件系統(tǒng)第四階段：Sys V init初始化階段：啟動/

2、sbin/init程序；運(yùn)行rc.sysinit腳本，設(shè)置系統(tǒng)環(huán)境，啟動swap分區(qū)，檢查和掛載文件系統(tǒng)；讀取/etc/inittab文件，運(yùn)行在/et/rc.d/rc.d中定義的不同運(yùn)行級別的服務(wù)初始化腳本；打開字符終端1-6號控制臺/打開圖形顯示管理的7號控制臺 同時(shí)在上述過程中各階段所需要讀取的文件和操作的對象：BIOS啟動引導(dǎo)階段 GRUB啟動引導(dǎo)階段 內(nèi)核階段 /init/sysinit階段 = None /boot/grub/grub.conf /boot/vmlinuz- /etc/rc.d/rc.sysinit /boot/grub/stage1_5 /boot/initrd-

3、 /etc/inittab /boot/grub/stage2 /etc/rc.d/rc.d /etc/rc.d/init.d/* （下面是詳細(xì)的過程） 第一階段：系統(tǒng)上電開機(jī)后，主板BIOS（Basic Input / Output System）運(yùn)行POST（Power on self test）代碼，檢測系統(tǒng)外圍關(guān)鍵設(shè)備（如：CPU、內(nèi)存、顯卡、I/O、鍵盤鼠標(biāo)等）。硬件配置信息及一些用戶配置參數(shù)存儲在主板的CMOS( Complementary Metal Oxide Semiconductor)上（一般64字節(jié)），實(shí)際上就是主板上一塊可讀寫的RAM芯片，由主板上的電池供電，系統(tǒng)掉電后

4、，信息不會丟失。執(zhí)行POST代碼對系統(tǒng)外圍關(guān)鍵設(shè)備檢測通過后，系統(tǒng)啟動自舉程序， 根據(jù)我們在BIOS中設(shè)置的啟動順序搜索啟動驅(qū)動器（比如的硬盤、光驅(qū)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等）。選擇合適的啟動器，比如通常情況下的硬盤設(shè)備，BIOS會讀取硬盤設(shè)備的第一個(gè)扇區(qū)（MBR，512字節(jié)），并執(zhí)行其中的代碼。實(shí)際上這里BIOS并不關(guān)心啟動設(shè)備第一個(gè)扇區(qū)中是什么內(nèi)容，它只是負(fù)責(zé)讀取該扇區(qū)內(nèi)容、 并執(zhí)行，BIOS的任務(wù)就完成了。此后將系統(tǒng)啟動的控制權(quán)移交到MBR部分的代碼。注：在我們的現(xiàn)行系統(tǒng)中，大多關(guān)鍵設(shè)備都是連在主板上的。因此主板BIOS提供了一個(gè)操作系統(tǒng)（軟件）和系統(tǒng)外圍關(guān)鍵設(shè)備（硬件）最底級別的接口，在這個(gè)階段，

5、檢測系統(tǒng)外圍關(guān)鍵設(shè)備是否“準(zhǔn)備好”，以供操作系統(tǒng)使用。 第二階段：BIOS通過下面兩種方法之一來傳遞引導(dǎo)記錄：第一：將控制權(quán)傳遞給initial program loader（IPL），該程序安裝在磁盤主引導(dǎo)記錄（MBR）中；第二：將控制權(quán)傳遞給initial program loader（IPL），該程序安裝在磁盤分區(qū)的啟動引導(dǎo)扇區(qū)中；無論上面的哪種情況中，IPL都是MBR的一部分并應(yīng)該存儲于一個(gè)不大于446字節(jié)的磁盤空間中，因?yàn)镸BR是一個(gè)不大于512字節(jié)的空間。因此IPL僅僅是GRUB的第一個(gè)部分(stage1),他的作用就是定位和裝載GRUB的第二個(gè)部分（stage2）；stage2對

6、啟動系統(tǒng)起關(guān)鍵作 用，該部分提供了GRUB啟動菜單和交互式的GRUB的shell。啟動菜單在啟動時(shí)候通過/boot/grub/grub.conf文件所定義的內(nèi)容生 成。在啟動菜單中選擇了kernel之后，GRUB會負(fù)責(zé)解壓和裝載kernel image并且將initrd裝載到內(nèi)存中。最后GRUB初始化kernel啟動代碼。完成之后后續(xù)的引導(dǎo)權(quán)被移交給kernel。 假設(shè)Boot Loader為grub (grub-0.97)，其引導(dǎo)系統(tǒng)的過程如下：grub分為stage1 (stage1_5) 和stage2兩個(gè)階段。stage1可以看成是initial program loaderI（IPL

7、)；stage2則實(shí)現(xiàn)了grub的主要功能，包括對特定文件系統(tǒng)的支持（如ext2，ext3，reiserfs 等）,grub自己的shell，以及內(nèi)部程序（如：kernrl，initrd，root）等。stage1:MBR（512 字節(jié)，0頭0道1扇區(qū)），前446字節(jié)存放的是 stage1，后面存放硬盤分區(qū)表信息，BIOS將stag1載入內(nèi)存中0x7c00處并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。stage1（/stage1/start.S）的任務(wù)非常單純，僅僅是將硬盤0頭0道2扇區(qū)讀入內(nèi)存。0頭0道2扇區(qū)內(nèi)容是源代碼中的/stage2/start.S，編譯后512字節(jié)，它是stage2 或者stage1_5的入口。注：

8、此時(shí)stage1是沒有能力識別文件系統(tǒng)的，其定位硬盤0頭0道2扇區(qū)過程如下：BIOS將stage1載入內(nèi)存0x7c00處并執(zhí)行，然后調(diào)用BIOS INIT13中斷，將硬盤0頭0道2扇區(qū)內(nèi)容載入內(nèi)存0x7000處，然后調(diào)用copy_buffer將其轉(zhuǎn)移到內(nèi)存0x8000處。定位0頭0道2扇區(qū)有兩種尋址方式：LBA、CHS。start.S的主要功能是將stage2或stage1_5從硬盤載入內(nèi)存，如果是stage2，則載入0x820處；如果是 stage1_5，則載入0x2200處。注：這里的stage2或者stage1_5不是/boot分區(qū)/boot/grub目錄下的文件，這個(gè)時(shí)候grub還沒有

9、能力識別任何文件系統(tǒng)。分以下兩種情況：（1）假如start.S讀取的是stage1_5，它存放在硬盤0頭0道3扇區(qū)向后的位置，stage1_5作為stage1和stage2中間的橋 梁，stage1_5有識別文件系統(tǒng)的能力，此后grub才有能力去訪問/boot分區(qū)/boot/grub目錄下的 stage2文件，將stage2載入內(nèi)存并執(zhí)行。（2）假如start.S讀取的是stage2，同樣，這個(gè)stage2也不是/boot分區(qū)/boot/grub目錄下的stage2，這個(gè)時(shí)候 start.S讀取的是存放在/boot分區(qū)Boot Sector的stage2。這種情況下就有一個(gè)限制：因?yàn)閟tart

10、.S通過BIOS中斷方式直接對硬盤尋址（而非通過訪問具體的文件系統(tǒng)），其尋址范 圍有限，限制在8GB以內(nèi)。因此這種情況需要將/boot分區(qū)分在硬盤8GB尋址空間之前。假如是情形（2），我們將/boot/grub目錄下的內(nèi)容清空，依然能成功啟動grub； 假如是情形（1），將/boot/grub目錄下stage2刪除后，則系統(tǒng)啟動過程中g(shù)rub會啟動失敗。 這個(gè)地方經(jīng)常要進(jìn)行的操作：是關(guān)于grub常用的幾個(gè)指令對應(yīng)的函數(shù)： grubroot (hd0,0) -root指令為grub指定了一個(gè)根分區(qū) grubkernel /xen.gz-2.6.18-37.el5 -kernel指令將操作系統(tǒng)內(nèi)核

11、載入內(nèi)存 grubmodule /vmlinuz-2.6.18-37.el5xen ro root=/dev/sda2 -module指令加載指定的模塊 grubmodule /initrd-2.6.18-37.el5xen.img -指定initrd文件 grubboot -boot 指令調(diào)用相應(yīng)的啟動函數(shù)啟動OS內(nèi)核 第三階段：如階段2所述，grubboot指令后，系統(tǒng)啟動的控制權(quán)移交給kernel。Kernel會立即初始化系統(tǒng)中各設(shè)備并做相關(guān)配置工作，其中包括CPU、I/O、存儲設(shè)備等。關(guān)于設(shè)備驅(qū)動加載，有兩部分：一部分設(shè)備驅(qū)動編入Linux Kernel中，Kernel會調(diào)用這部分驅(qū)動

12、初始化相關(guān)設(shè)備，同時(shí)將日志輸出到kernel message buffer，系統(tǒng)啟動后dmesg可以查看到這部分輸出信息。另外有一部分設(shè)備驅(qū)動并沒有編入Kernel，而是作為模塊形式放在 initrd（ramdisk）中。在2.6內(nèi)核中，支持兩種格式的initrd，一種是2.4內(nèi)核的文件系統(tǒng)鏡像image-initrd，一種是cpio格式。以 cpio 格式為例，內(nèi)核判斷initrd為cpio的文件格式后，會將initrd中的內(nèi)容釋放到rootfs中。 initrd是一種基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)，啟動過程中，系統(tǒng)在訪問真正的根文件系統(tǒng)/時(shí)，會先訪問initrd文件系統(tǒng)。將initrd中的內(nèi)容打開來看

13、， 會發(fā)現(xiàn)有bin、devetc、lib、procsys、sysroot、init等文件（包含目錄）。其中包含了一些設(shè)備的驅(qū)動模塊，比如scsi ata等設(shè)備驅(qū)動模塊，同時(shí)還有幾個(gè)基本的可執(zhí)行程序 insmod, modprobe, lvm，nash。主要目的是加載一些存儲介質(zhì)的驅(qū)動模塊，如上面所說的scsi ideusb等設(shè)備驅(qū)動模塊，初始化LVM，把/根文件系統(tǒng)以只讀方式掛載。initrd中的內(nèi)容釋放到rootfs中后，Kernel會執(zhí)行其中的init文件，這里的init是一個(gè)腳本，由nash解釋器執(zhí)行。這個(gè)時(shí)候內(nèi)核的控制權(quán)移交給init文件處理，我們查看init文件的內(nèi)容，主要也是加載各

14、種存儲介質(zhì)相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。 驅(qū)動加載后，會創(chuàng)建一個(gè)根設(shè)備，然后將根文件系統(tǒng)/以只讀的方式掛載。這步結(jié)束后釋放未使用內(nèi)存并執(zhí)行switchroot，轉(zhuǎn)換到真正的根/上面去，同 時(shí)運(yùn)行/sbin/init程序，開啟系統(tǒng)的1號進(jìn)程，此后系統(tǒng)啟動的控制權(quán)移交給 init 進(jìn)程。關(guān)于switchroot是在nash中定義的程序。Linux Kernel需要適應(yīng)多種不同的硬件架構(gòu)，但是將所有的硬件驅(qū)動編入Kernel又是不實(shí)際的，而且Kernel也不可能每新出一種硬件結(jié)構(gòu)，就將該硬件 的設(shè)備驅(qū)動寫入內(nèi)核。實(shí)際上Linux Kernel僅是包含了基本的硬件驅(qū)動，在系統(tǒng)安裝過程中會檢測系統(tǒng)硬件信息，根據(jù)安裝信

15、息和系統(tǒng)硬件信息將一部分設(shè)備驅(qū)動寫入 initrd 。這樣在以后啟動系統(tǒng)時(shí)，一部分設(shè)備驅(qū)動就放在initrd中來加載。 第四階段：init進(jìn)程起來后，系統(tǒng)啟動的控制權(quán)移交給init進(jìn)程。/sbin/init進(jìn)程是所有進(jìn)程的父進(jìn)程，當(dāng)init起來之后，它首先會讀取配置文件/etc/inittab，進(jìn)行以下工作： 1）執(zhí)行系統(tǒng)初始化腳本(/etc/rc.d/rc.sysinit)，對系統(tǒng)進(jìn)行基本的配置，以讀寫方式掛載根文件系統(tǒng)及其它文件系統(tǒng)，到此系統(tǒng)基本算運(yùn)行起來了，后面需要進(jìn)行運(yùn)行級別的確定及相應(yīng)服務(wù)的啟動； 2）確定啟動后進(jìn)入的運(yùn)行級別； 3) 執(zhí)行/etc/rc.d/rc，該文件定義了服務(wù)啟

16、動的順序是先K后S，而具體的每個(gè)運(yùn)行級別的服務(wù)狀態(tài)是放在/etc/rc.d/rcn.d（n=06）目錄下，所有的文件均鏈接至/etc/init.d下的相應(yīng)文件。 4）有關(guān)key sequence的設(shè)置 5) 有關(guān)UPS的腳本定義 6）啟動虛擬終端/sbin/mingetty 7）在運(yùn)行級別5上運(yùn)行X 這時(shí)呈現(xiàn)給用戶的就是最終的登錄界面。 至此，系統(tǒng)啟動過程完畢：） 說明： 1）/etc/rc.d/rc.sysint - System Initialization Tasks 它的主要工作有： 配置selinux， 系統(tǒng)時(shí)鐘， 內(nèi)核參數(shù)（/etc/sysctl.conf）， hostname，

17、啟用swap分區(qū)， 根文件系統(tǒng)的檢查和二次掛載（讀寫）， 激活RAID和LVM設(shè)備， 啟用磁盤quota 檢查并掛載其它文件系統(tǒng) 等等。 GRUB的基本原理以及對GRUB的操作控制方法： GRUB全稱為Grand Unified Boot Loader，是Linux操作系統(tǒng)主流的啟動引導(dǎo)管理器。主要作用是啟動和裝載Linux操作系統(tǒng)。系統(tǒng)啟動過程中一旦完成了BIOS自檢，GRUB會 被立刻裝載。在GRUB里面包含了可以載入操作系統(tǒng)的代碼以及將操作系統(tǒng)引導(dǎo)權(quán)傳遞給其他啟動引導(dǎo)管理器的代碼。GRUB可以允許用戶選擇使用不同的 kernel啟動系統(tǒng)，或者在啟動系統(tǒng)的過程中設(shè)置不同的啟動參數(shù)。而通常B

18、IOS會以下面兩種方法之一來調(diào)用啟動引導(dǎo)管理器：將控制權(quán)移交給于驅(qū)動器主引導(dǎo)記錄的initial program loader（IPL）；將控制權(quán)移交給其他啟動引導(dǎo)管理器，再由他們將控制權(quán)移交給安裝在分區(qū)引導(dǎo)扇區(qū)的IPL通常情況下啟動引導(dǎo)管理器GRUB由兩部分組成（stage1和stage2）：stage1比較小，通常可以駐留在MBR或者各個(gè)磁盤分區(qū)的啟動扇區(qū)中，主要作用是裝載stage2。stage2比較大，從磁盤的啟動引導(dǎo)分區(qū)讀取至于在stage1和stage2之間存在一個(gè)stage1.5，是因?yàn)閟targe1.5具有識別文件系統(tǒng)的能力。在Linux系統(tǒng)中對GRUB的配置有兩種方法：主要引

19、導(dǎo)管理器：會將啟動引導(dǎo)管理器的stage1安裝在MBR上，這時(shí)啟動引導(dǎo)管理器必須被配置為可以傳遞控制權(quán)到其他操作系統(tǒng)；次要引導(dǎo)管理器：會將啟動引導(dǎo)管理器的stage1安裝在一些分區(qū)的引導(dǎo)扇區(qū)上，而其他的啟動引導(dǎo)管理器會被安裝在MBR上，由他們來向Linux啟動引導(dǎo)管理器傳遞控制權(quán)。GRUB在啟動過程中可以提供命令行交互界面，可以從ext系列，reiserfs，fat等多種文件系統(tǒng)引導(dǎo)系統(tǒng)，并且可以提供密碼加密功能，其內(nèi)容在 /boot分區(qū)下，系統(tǒng)啟動過程中由配置文件/boot/grub/grub.conf來定義啟動方式，對該配置文件的更改會立即生效。在配置文件/boot/grub/grub.c

20、onf文件中定義的內(nèi)容包括：grub所在的分區(qū)，引導(dǎo)系統(tǒng)所使用的kernel文件位置，硬件初始化使用的initrd文件位置，以及啟動參數(shù)。例如：grubroot(hd0,0) -root指令為grub指定了一個(gè)根分區(qū) grubkernel/xen.gz-2.6.18-37.el5 -kernel指令將操作系統(tǒng)內(nèi)核載入內(nèi)存 grubmodule/vmlinuz-2.6.18-37.el5xen ro root=/dev/sda2 -module指令加載指定的模塊 grubmodule /initrd-2.6.18-37.el5xen.img -指定initrd文件 grubboot -boot

21、指令調(diào)用相應(yīng)的啟動函數(shù)啟動OS內(nèi)核 可見其指定的內(nèi)容大多數(shù)在/boot分區(qū)，如果切換到/boot分區(qū)之后會看到這些內(nèi)容： /boot/vmlinuz-* linux kernel的一個(gè)copy； /boot/initrd*.img 初始化的ram disk文件 /boot/grub/device.map linux設(shè)備名和grub設(shè)備名的映射文件 /boot/grub/grub.conf 主配置文件 通常GRUB出錯(cuò)幾率不是很大，但一旦出現(xiàn)問題恐怕采用最多的方式是重裝grub到MBR中。在這種時(shí)候需要注意的問題有：首先，設(shè)備映射關(guān)系：GRUB里面對設(shè)備名稱的定義和系統(tǒng)中對設(shè)備名稱的定義方法不一

22、樣：（fd0） /dev/fd0（hd0） /dev/sda /dev/hda（hd1） /dev/sdb /dev/hdb如能夠進(jìn)入系統(tǒng)或者救援模式，可執(zhí)行命令/sbin/grub-install /dev/sda（或者h(yuǎn)da）進(jìn)行GRUB重裝： # /sbin/grub-install device處于某種原因MBR中信息出錯(cuò)可以使用上面的命令將其重裝到磁盤主引導(dǎo)記錄中；但是如果在不能進(jìn)入系統(tǒng)的情況下就需要通過grub的命令行界面進(jìn)行手動設(shè)置，這個(gè)時(shí)候就要注意上面所提到的映射關(guān)系。 同時(shí)，在grub命令行中對grub進(jìn)行手動設(shè)置的時(shí)候需要注意所使用的命令：# root （hd0,0） -指

23、定啟動分區(qū)# setup（hd0） -表示將grub安裝在主引導(dǎo)記錄上# quit -退出grub shell 下面是一個(gè)完整的grub.conf文件內(nèi)容： rootdhcp-0-195 # cat /etc/grub.conf # grub.conf generated by anaconda# Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file# NOTICE: You have a /boot partition. This means that# all kernel and initrd

24、paths are relative to /boot/, eg.# root (hd0,0)# kernel /vmlinuz-version ro root=/dev/VolGroup001/LogVol00# initrd /initrd-version.img#boot=/dev/sda default=0 timeout=30 splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz hiddenmenu password -md5 $1$apEcJWbA$DTJ8a6mKn/3yrTTSXBtdH0 title Red Hat Enterprise Linux

25、Client (2.6.18-8.1.1.el5) root (hd0,0) kernel /vmlinuz-2.6.18-8.1.1.el5 ro root=/dev/VolGroup001/LogVol00 crashkernel=128M16M initrd /initrd-2.6.18-8.1.1.el5.img 系統(tǒng)啟動運(yùn)行級別的概念以及服務(wù)的定制方法；當(dāng)initrd可以正常檢測和裝載之后，最后的工作就基本上由操作系統(tǒng)來進(jìn)行了。當(dāng)系統(tǒng)的init進(jìn)程起來之后系統(tǒng)啟動的控制權(quán)移交給init進(jìn)程。/sbin/init進(jìn)程是所有進(jìn)程的父進(jìn)程，當(dāng)init起來之后，它首先會讀取配置文件/etc/

26、inittab，進(jìn)行以下工作：1）執(zhí)行系統(tǒng)初始化腳本(/etc/rc.d/rc.sysinit)，對系統(tǒng)進(jìn)行基本的配置，以讀寫方式掛載根文件系統(tǒng)及其它文件系統(tǒng)，后面需要進(jìn)行運(yùn) 行級別的確定及相應(yīng)服務(wù)的啟動，（從這個(gè)角度可以看出如果要定義系統(tǒng)的init動作，需要修改/etc/rc.d/rc.sysinit腳本）2）通過對/etc/inittab文件的讀取確定啟動后進(jìn)入的運(yùn)行級別；3) 在相應(yīng)的運(yùn)行級別中執(zhí)行/etc/rc.d/rcx.d目錄下的腳本名稱，該文件定義了服務(wù)啟動的順序是先K后S，而具體的每個(gè)運(yùn)行級別的服務(wù)狀態(tài)是放在 /etc/rc.d/rcn.d（n=06）目錄下，但這些文件均是到/

27、etc/init.d下的相應(yīng)文件的鏈接。系統(tǒng)會按照在該目錄下的文件名稱和優(yōu)先級執(zhí)行對應(yīng)運(yùn)行級別目錄下的腳本：在某個(gè)運(yùn)行級別的對應(yīng)目錄下，K開頭的服務(wù)被關(guān)閉，S開頭的服務(wù)被開啟，K在S開始之前執(zhí)行，在執(zhí)行過程中按照數(shù)字來定義優(yōu)先級，數(shù)字越低優(yōu)先級越高。4）按照/etc/rc.d/rcX.d目錄中的定義，系統(tǒng)會于后臺啟動相應(yīng)的服務(wù)，如果要對某個(gè)運(yùn)行級別中的服務(wù)進(jìn)行更具體的定制，通過chkconfig命令來操作，或者通過setup/ntsys/system-config-services來進(jìn)行定制。5）在/etc/inittab文件中存在有關(guān)key sequence，UPS的腳本定義，啟動虛擬終端/

28、sbin/mingetty的設(shè)置，這時(shí)呈現(xiàn)給用戶的就是最終的登錄界面。也就是說后臺啟動的服務(wù)完畢之后，如果系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入字符界面，則運(yùn)行mgetty進(jìn)入1-6號終端控制臺，如果系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入圖形界面，則開啟gdm服務(wù)進(jìn)入7號虛擬圖形控制臺。至此，系統(tǒng)啟動過程完畢。 對于/etc/rc.d/rc.sysinit文件的說明：/etc/rc.d/rc.sysint - System Initialization Tasks 執(zhí)行系統(tǒng)初始化任務(wù)的腳本。它的主要工作有：配置selinux，系統(tǒng)時(shí)鐘，內(nèi)核參數(shù)（/etc/sysctl.conf），hostname，啟用swap分區(qū)， 根文件系統(tǒng)的檢查和二次掛載

29、（讀寫），激活RAID和LVM設(shè)備，啟用磁盤quota檢查并掛載其它文件系統(tǒng) 這是其基本要實(shí)現(xiàn)的工作內(nèi)容： #!/bin/bash # # /etc/rc.d/rc.sysinit - run once at boot time # # Taken in part from Miquel van Smoorenburgs bcheckrc. # Check SELinux status # Because of a chicken/egg problem, init_crypto must be run twice. /var may be # encrypted but /var/lib/r

30、andom-seed is needed to initialize swap. # Only read this once. # Initialize hardware # Set default affinity # Load other user-defined modules # Load modules (for backward compatibility with VARs) # Start the graphical boot, if necessary; /usr may not be mounted yet, so we # may have to do this again