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Linux开机启动过程详解

前言:

Linux是一种自由和开放源代码的类UNIX操作系统。该操作系统的内核由林纳斯·托瓦兹在1991年10月5日首次发布。在加上用户空间的应用程序之后,成为Linux操作系统。Linux是自由软件和开放源代码软件发展中最著名的例子。

  接触Linux的时间也不算短了,一直都是直接使用Linux操作系统进行一些工作,很少去了解系统从开机到能使用的整个过程,感觉有需要好好理解下整个系统的启动过程,故写这篇博客加深一下理解。

先通过一张图来简单了解下整个系统启动的流程,整个过程基本可以分为POST–>BIOS–>MBR(GRUB)–>Kernel–>Init–>Runlevel。下面会详细说明每个过程的作用。

Linux启动过程

图1-1:系统启动流程

BIOS

BIOS(Basic Input/Output System),基本输入输出系统,该系统存储于主板的ROM芯片上,计算机在开机时,会最先读取该系统,然后会有一个加电自检过程,这个过程其实就是检查CPU和内存,计算机最基本的组成单元(控制器、运算器和存储器),还会检查其他硬件,若没有异常就开始加载BIOS程序到内存当中。详细的BIOS功能,这边就不说了,BIOS主要的一个功能就是存储了磁盘的启动顺序,BIOS会按照启动顺序去查找第一个磁盘头的MBR信息,并加载和执行MBR中的Bootloader程序,若第一个磁盘不存在MBR,则会继续查找第二个磁盘(PS:启动顺序可以在BIOS的界面中进行设置),一旦BootLoader程序被检测并加载内存中,BIOS就将控制权交接给了BootLoader程序。

MBR

MBR(Master Boot Record),主引导记录,MBR存储于磁盘的头部,大小为512bytes,其中,446bytes用于存储BootLoader程序,64bytes用于存储分区表信息,最后2bytes用于MBR的有效性检查。

GRUB

GRUB(Grand Unified Bootloader),多系统启动程序,其执行过程可分为三个步骤:

Stage1:这个其实就是MBR,它的主要工作就是查找并加载第二段Bootloader程序(stage2),但系统在没启动时,MBR根本找不到文件系统,也就找不到stage2所存放的位置,因此,就有了stage1_5

Stage1_5:该步骤就是为了识别文件系统

Stage2:GRUB程序会根据/boot/grub/grub.conf文件查找Kernel的信息,然后开始加载Kernel程序,当Kernel程序被检测并在加载到内存中,GRUB就将控制权交接给了Kernel程序。

PS:实际上这个步骤/boot还没被挂载,GRUB直接识别grub所在磁盘的文件系统,所以实际上应该是/grub/grub.conf文件,该配置文件的信息如下:

grub.conf:

#boot=/dev/sda

default=0        #设定默认启动的title的编号,从0开始

timeout=5       #等待用户选择的超时时间

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

hiddenmenu     #隐藏菜单

title CentOS (2.6.18-194.el5PAE)      #内核标题

root (hd0,0)         #内核文件所在的设备

kernel /vmlinuz-2.6.18-194.el5PAE ro root=LABEL=/     #内核文件路径以及传递给内核的参数

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

Kernel

Kernel,内核,Kernel是Linux系统最主要的程序,实际上,Kernel的文件很小,只保留了最基本的模块,并以压缩的文件形式存储在硬盘中,当GRUB将Kernel读进内存,内存开始解压缩内核文件。讲内核启动,应该先讲下initrd这个文件,

initrd(Initial RAM Disk),它在stage2这个步骤就被拷贝到了内存中,这个文件是在安装系统时产生的,是一个临时的根文件系统(rootfs)。因为Kernel为了精简,只保留了最基本的模块,因此,Kernel上并没有各种硬件的驱动程序,也就无法识rootfs所在的设备,故产生了initrd这个文件,该文件装载了必要的驱动模块,当Kernel启动时,可以从initrd文件中装载驱动模块,直到挂载真正的rootfs,然后将initrd从内存中移除。

Kernel会以只读方式挂载根文件系统,当根文件系统被挂载后,开始装载第一个进程(用户空间的进程),执行/sbin/init,之后就将控制权交接给了init程序。

Init

init,初始化,顾名思义,该程序就是进行OS初始化操作,实际上是根据/etc/inittab(定义了系统默认运行级别)设定的动作进行脚本的执行,第一个被执行的脚本为/etc/rc.d/rc.sysinit,这个是真正的OS初始化脚本,简单讲下这个脚本的任务(可以去看看实际脚本,看看都做了什么):

1、激活udev和selinux;2、根据/etc/sysctl.conf文件,来设定内核参数;3、设定系统时钟;4、装载硬盘映射;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根文件系统;8、激活RAID和LVM设备;9、启用磁盘配额;10、根据/etc/fstab,检查并挂载其他文件系统;11、清理过期的锁和PID文件

执行完后,根据配置的启动级别,执行对应目录底下的脚本,最后执行/etc/rc.d/rc.local这个脚本,至此,系统启动完成。

Runlevel

runlevel,运行级别,不同的级别会启动的服务不一样,init会根据定义的级别去执行相应目录下的脚本,Linux的启动级别分为以下几种

0:关机模式

1:单一用户模式(直接以管理员身份进入)

2:多用户模式(无网络)

3:多用户模式(命令行)

4:保留

5:多用户模式(图形界面)

6:重启

在不同的运行级别下,/etc/rc.d/rc这个脚本会分别执行不同目录下的脚本

  • 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/

这些目录下的脚本只有K*和S*开头的文件,K开头的文件为开机需要执行关闭的服务,S开头的文件为开机需要执行开启的服务。

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