淺談 Linux 系統啟動過程

前言

Linux 啟動過程

BIOS 自檢過程

系統引導

加載第一個程序

初始化系統

前言

Linux 啟動過程

BIOS 自檢過程

系統引導

加載第一個程序

初始化系統

前言

Linux 系統在日常工作中已經是我們朝夕相處的親密伴侶，每次當我們按下可愛的電源鍵那一刻起直到出現熟悉的登陸界面。這短短的一瞬間它都經歷什么?

Linux 啟動過程

對于一臺安裝了 Linux 系統的主機來說，當我們按下開機按鈕時一共要經歷這幾個階段。

其中，每個過程都執行了自己該做的初始化部分的事情，有些過程又可分為好幾個子過程。

接下來，我們就對每個階段做一個詳細分析和講解。

BIOS 自檢過程

稍有計算機基礎的人都應該聽過 BIOS(Basic Input / Output System)，又稱基本輸入輸出系統，可以視為是一個永久地記錄在 ROM 中的一個軟件，是操作系統輸入輸出管理系統的一部分。早期的 BIOS 芯片確實是"只讀"的，里面的內容是用一種燒錄器寫入的，一旦寫入就不能更改，除非更換芯片。現在的主機板都使用一種叫 Flash EPROM 的芯片來存儲系統 BIOS，里面的內容可通過使用主板廠商提供的擦寫程序擦除后重新寫入，這樣就給用戶升級 BIOS 提供了極大的方便。

BIOS 的功能由兩部分組成，分別是 POST 碼和 Runtime 服務。POST 階段完成后它將從存儲器中被清除，而Runtime服務會被一直保留，用于目標操作系統的啟動。

BIOS兩個階段所做的詳細工作如下：

步驟1：上電自檢POST(Power-on self test)，主要負責檢測系統外圍關鍵設備（如：CPU、內存、顯卡、I/O、鍵盤鼠標等）是否正常。例如，最常見的是內存松動的情況，BIOS自檢階段會報錯，系統就無法啟動起來；

步驟2：步驟1成功后，便會執行一段小程序用來枚舉本地設備并對其初始化。這一步主要是根據我們在 BIOS 中設置的系統啟動順序來搜索用于啟動系統的驅動器，如硬盤、光盤、U盤、軟盤和網絡等。我們以硬盤啟動為例，BIOS此時去讀取硬盤驅動器的第一個扇區(MBR，512字節)，然后執行里面的代碼。至此，BIOS 的任務就完成了，此后將系統啟動的控制權移交到 MBR 部分的代碼。

系統引導

我們首先來了解一下 MBR，它是 Master Boot Record 的縮寫。硬盤的 0 柱面、0 磁頭、1 扇區稱為主引導扇區。它由三個部分組成，主引導程序(Bootloader)、硬盤分區表 DPT（Disk Partition table）和硬盤有效標志（55AA），其結構圖如下所示：

磁盤分區表包含以下三部分：

Partition ID （5：延申 82：Swap 83：Linux 8e：LVM fd：RAID）

Partition起始磁柱

Partition的磁柱數量

通常情況下，諸如 lilo、grub 這些常見的引導程序都直接安裝在MBR中。

我們以grub為例來分析這個引導過程

grub有兩個作用：

加載扇區

加載內核

首先加載 /boot/grub

grub 加載第一個文件是 stage1，此時只能識別 ext3 系統文件。

加載完 stage1 后才能加載 stage1.5，stage1.5 有很多文件格式，當加載完 stage1.5 后能夠識別其他的文件格式。

grub 加載 stage2 就可以看到開機畫面。

grub 加載完 tage2 開始加載內核，首先加載 kenal

內核都是模塊化內核的路徑是 /lib/modules/

Grub 在加載內核的同時也在加載驅動文件。只有加載完驅動后才能識別硬盤。

加載第一個程序

加載第一個程序 /sbin/init 加載這個程序會運行 /etc/inittab 配置文件這里主要設置了啟動默認進入的級別。

一共有7個運行級別路徑為 /etc/rc.d

0-----關機

1------單用戶模式

2----單用戶不能用nfs

3-----字符模式

4------未定義

5------圖形界面

6-----重啟

我們預覽下 init 腳本主要是加載各種存儲介質相關的設備驅動程序。當所需的驅動程序加載完后，會創建一個根設備，然后將根文件系統 rootfs 以只讀的方式掛載。這一步結束后，釋放未使用的內存，轉換到真正的根文件系統上面去，同時運行 /sbin/init 程序，執行系統的1號進程。此后系統的控制權就全權交給 /sbin/init 進程了。

初始化系統

到這里就是就快要看到曙光啦，接下來就是最后一步初始化系統。

/sbin/init 進程是系統其他所有進程的父進程，當它接管了系統的控制權之后，它首先會去讀取 /etc/inittab 文件來執行相應的腳本進行系統初始化，如設置鍵盤、字體，裝載模塊，設置網絡等。

主要包括以下工作：

執行系統初始化腳本(/etc/rc.d/rc.sysinit)，對系統進行基本的配置，以讀寫方式掛載根文件系統及其它文件系統，到此系統算是基本運行起來了，后面需要進行運行級別的確定及相應服務的啟動。

執行/etc/rc.d/rc 腳本。該文件定義了服務啟動的順序是先 K 后 S，而具體的每個運行級別的服務狀態是放在 /etc/rc.d/rc*.d（*=0~6） 目錄下，所有的文件均是指向 /etc/init.d下相應文件的符號鏈接。rc.sysinit 通過分析 /etc/inittab 文件來確定系統的啟動級別，然后才去執行 /etc/rc.d/rc*.d 下的文件。

/etc/init.d-> /etc/rc.d/init.d /etc/rc ->/etc/rc.d/rc /etc/rc*.d ->/etc/rc.d/rc*.d /etc/rc.local-> /etc/rc.d/rc.local /etc/rc.sysinit-> /etc/rc.d/rc.sysinit

也就是說，/etc 目錄下的 init.d、rc、rc*.d、rc.local 和 rc.sysinit 均是指向 /etc/rc.d 目錄下相應文件和文件夾的符號鏈接。

執行用戶自定義引導程序 /etc/rc.d/rc.local。執行 /etc/rc.d/rc3.d/S99local 時，它就是在執行 /etc/rc.d/rc.local。S99local 是指向 rc.local 的符號鏈接。就是一般來說，自定義的程序不需要執行上面所說的繁瑣的建立 shell 增加鏈接文件的步驟，只需要將命令放在 rc.local 里面就可以了，這個 shell 腳本就是保留給用戶自定義啟動內容的。

完成了系統所有的啟動任務后，Linux 會啟動終端或 X-Window· 來等待用戶登錄。tty1,tty2,tty3…這表示在運行等級1，2，3，4 的時候，都會執行 /sbin/mingetty，而且執行了 6 個，所以 Linux 會有 6 個純文本終端，mingetty 就是啟動終端的命令。

除了這 6 個之外還會執行 /etc/X11/prefdm-nodaemon 這個主要啟動 X-Window

至此，系統就啟動完畢了。

Linux 任務調度

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