Linux 启动过程的详细解释

对于无论什么系统, 但无法打开电源这么简单的事, 很多事情将在几秒钟内几秒钟或几十本短时间内发生, 了解这一过程将是完整的引导解决问题的任何或提高开机速度的前提. 下一个, 我们会专门寻找Linux程: 

1. 载入 BIOS 的硬件信息并进行自我測试,并根据取得第一个可开机的装置;
2. 读取并运行第一个开机装置内 MBR 的 Boot Loader (如 grub, spfdisk 等程序);
3. 根据 Boot Loader 的设定载入 kernel, kernel 会開始侦測硬件并载入驱劢程序;
4. 在硬件驱动成功后, kernel 会调用 init 程序,而init 会取得 run-level 信息;
5. init 执行 /etc/rc.d/rc.sysinit 文件来准备软件执行的环境 (如网络、时区等);
6. init 运行 run-level 的各个服务启动 (script 方式);
7. init 运行 /etc/rc.d/rc.local 文件;
8. init 运行终端机仿真程序 mingetty 来启动 login 程序,最后用户就能够登陆了;

接下来对以上步骤进行具体的讲述:
1. 载入 BIOS 的硬件信息并进行自我測试,并根据取得第一个可开机的装置;
在X86平台下,假设像让系统跑起来,就必须首先让系统去载入BOIS, 并通过BOIS程序去载入CMOS信息. 通过CMOS内的设置定取得主机的各项硬件配置: 比如 CPU 与接口设备的沟通频率、开机装置的搜寻顺序、硬盘的大小与类型啊、 系统时间、各周边总线的是否启动 Plug and Play (PnP, 即
插即用装置) 、 各接口设备的 I/O 地址、以及与 CPU 沟通的 IRQ 岔断等等的信息。
在这里我们有必要了解BOIS和CMOS的概念:
BOIS: 基本输入输出(Basic Input Output System). 其内容集成在主板上的一个ROM芯片上,主要保存系统最重要的基本输入输出程序, 包含:终端服务程序, 系统设置程序, 开机上电自检程序和系统启动自举程序.

CMOS: 互补金属氧化物半导体存储器(Complementary Metal Oxide Semiconductor). 是主板上一块可读写的RAM芯片,主要用拿过来保存当前系统的硬件配置和操作者对某些參数的设定(通俗的来说,就保存了你的电脑的硬件配置信息和你对自己电脑的參数设置等信息). CMOS RAM芯片由系统通过一块后备电池供电, 因此不管在关机状态, 还是遇到系统掉电情况,CMOS信息都不会丢失.(这也是放电破解开机password的原理^-^)

BOIS和CMOS的联系:
CMOS是存放BOIS设定系统參数的介质, BOIS是改动CMOS的手段.

接着上面的内容继续介绍, BOIS载入CMOS信息后, 開始进行开机自检, 然后開始运行硬件的初始化, 并设定PnP, 之后再定义开机的装置顺序, 接下来就从指定的开机装置中读取数据. 至此,第一步就已完毕.

2. 读取并运行第一个开机装置内 MBR 的 Boot Loader (如 grub, spfdisk 等程序);
第一步完毕后, 此时系统開始从第一个开机装置中读取MRB, 并运行Boot Loader.在此,我们简单解释一下MBR和Boot Loader的概念:
MRB: 主引导记录区(Master Boot Record). 位于整个硬盘的0磁道0柱面1扇区. 只是在总共512字节的主引导扇区中, MBR仅仅占用起当中446字节, 另外的64个字节交给了 DPT（Disk Partition Table硬盘分区表），最后两个字节“55, AA”是分区的结束标志。这个总体构成了硬盘的主引导扇区。

Boot Loader: BOIS指定开机装置后, 我们就能够读取该装置上的系统文件了, 然而不同的操作系统, 其文件格式一般不同样, 所以我们必须以一个开机管理程序来处理核心文件载入问题, 这个开机管理程序就是Boot Loader. 该程序被安装在开机装置的第一个扇区内, 即MBR中. 也就是说, MBR是存放Boot Loader的地方.

通过对MBR和Boot Loader的介绍, 我们知道Boot Loader的存放位置总是一定的,所以当BIOS识别磁盘后, 就能够通过INT 13号中断跳到制定的位置, 从而运行Boot Loader程序载入操作系统的核心文件. 至此, 第二步就已完毕.

3. 根据 Boot Loader 的设定载入 kernel, kernel 会開始侦測硬件并载入驱动程序;
第二步完毕后, Boot Loader就能够从指定磁盘上载入kernel, 讲kernel解压缩到内存中, 利用kernel的功能, 開始測试与驱动硬件设备. 同一时候, kernel还会又一次侦測一次硬件, 而不一定会使用BIOS侦測到的硬件信息. 至此, kernel开机接管BIOS后的工作.在此, 我们须要简介一下Linux的kernel.
在Linux中, kernel存放在/boot 分区, 而且命名为vmlinuz. 
接着上面的介绍, 在这一步中, kernel会载入驱动程序, 可是会有一个问题, 这些驱动程序一般存放在/lib/modules/ 文件夹中, 而kernel要识别磁盘, 必须先载入磁盘的驱动程序, 而磁盘的驱动程序存储在磁盘中(/lib/modules), 就陷入了一种进退两难的地步, 导致系统始终无法继续启动, 对于这样的问题, Linux的前辈们, 想出了一种绝妙的方式-----虚拟文件系统来解决问题, 在此我们简介一下这个虚拟文件系统．
虚拟文件系统(Initial RAM Disk) 一般使用的文件名称为initrd, 被存储在/boot/文件夹下, 这个文件的特点是: 它可以透过Boot Loader来载入到内存中, 然后这个文件被解压缩到内存中被仿真成一个根文件夹, 且此仿真根文件夹在内存中的文件系统可以提供一个可运行的程序, 透过该程序来载入开机过程中所须要的核心模块, 一般是USB, RAID, LVM, SCSI等文件系统与磁盘接口的驱动程序, 载入完毕后, kernel便会又一次载入/sbin/init来開始兴许的正常开机流程. 至此, 第三步便完毕了.

initrd文件内容例如以下:

drwxrwxr-x 10 freeman freeman     4096 10月 18 14:50 ./
drwxrwxrwt 16 root    root        4096 10月 18 14:47 ../
drwxr-xr-x  2 freeman freeman     4096 10月 18 14:50 bin/
drwxr-xr-x  3 freeman freeman     4096 10月 18 14:50 conf/
drwxr-xr-x  7 freeman freeman     4096 10月 18 14:50 etc/
-rwxr-xr-x  1 freeman freeman     7237 10月 18 14:50 init*
-rw-r--r--  1 freeman freeman 51981312 10月 18 14:46 initrd
drwxr-xr-x  7 freeman freeman     4096 10月 18 14:50 lib/
drwxr-xr-x  2 freeman freeman     4096 10月 18 14:50 lib64/
drwxr-xr-x  2 freeman freeman     4096 10月 18 14:50 run/
drwxr-xr-x  2 freeman freeman     4096 10月 18 14:50 sbin/
drwxr-xr-x  7 freeman freeman     4096 10月 18 14:50 scripts/

是不是非常像Linux文件系统的文件夹结构(^-^)

4. 在硬件驱动成功后, kernel 会调用 init 程序初始化软件的执行环境
第三步完毕后, kernel開始调用init程序, 也是系统中第一个程序, 所以其PID=1, 那么为什么要调用这个程序呢?

在此, 我们须要了解一下这个init程序的作用:
init 程序的最主要功能是准备软件运行的环境,  当中包含系统的主机名, 网络设定, 语言选择, 文件系统格式及其它服务的启动等. 而这些全部的动作都会透过init的配置文件, 也就是/etc/inittab来规划, 而inittab内另一个非常重要的设定项目, 那就是默认的runlevel(开机运行等级). 所以说, /etc/inittab 文件来指导init程序来运行详细的动作.

以下我们看看/etc/inittab文件的内容:

freeman@freeman-H55M-S2:~$ cat /etc/inittab
id:3:initdefault:
#设置默认执行等级．init 首先读取这一行来确定执行级别.


si::sysinit:/etc/rc.d/init.d/rc sysinit
#执行/etc/rc.d/init.d/rc.sysinit脚本, 用于设置主机名, 挂在文件系统, 启动交换分区等.


0:0:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 0
1:S1:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 1
2:2:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 2
3:3:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 3
4:4:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 4
5:5:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 5
6:6:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 6
#相应于/etc/rc.d/rc[0-6].d中的脚本.


#配置行的排列语法为：
#　id:runlevels:action:process [argument]
#id为标志字段，一般为2至4个字符．
#runlevel定义本行适用的执行等级.一般例如以下
#---------------------------------------------------------------------
#执行等级   |                                      说明
#---------|------------------------------------------------------------
#  0       | Halt,关闭系统.
#  1       | 单用户,在grub启动时加上为kernel加上參数single就可以进入此执行等级
#  2       | 无网络多用户模式.
#  3       | 有网络多用户模式.
#  4       | 有网络多用户模式.
#  5       | X模式
#  6       | reboot重新启动系统
#  S/s    | 同执行等级1
#  a,b,c | 自己定义等级,通常不使用.
#---------------------------------------------------------------------
#action定义採取的行动.
#---------------------------------------------------------------------
#    行动      |              说明
#---------------------------------------------------------------------
#   respawn   |仅仅要进程一停止,该进程就又一次启动.
#    wait     |进程仅仅执行一次,init将一直等待它结束,再执行其他命令.
#    once     |进程仅仅执行一次.
#    boot     |系统引导进程中,进程执行,init将忽略执行等级这段.
#   bootwait |系统引导过程中,进程执行,init将等待进程结束.
#    off     |不採取不论什么行动,功能相当于将这行用#凝视掉.
# ondemand   |仅仅要init调用a,b,c中的不论什么一种执行等级时,进程便执行.
#initdefault|系统设置默认执行级别.process字段被忽略.
#   sysinit   |仅仅要系统引导,该进程便执行,优先于boot与bootwait.
# powerwait |当init接收到SIGPWR信号时进程開始执行,一般为电源故障时执行.
# powerfail |与powerwait同样,但init不会等待进程完毕.
#powerokwait|当电源故障修复时执行.
# ctrialdel |当init收到SIGNT信号时(按下ctrl+alt+del)时,进程执行.
# kbrequest |当init收到键盘处理KeyboardSignal信号时,进程执行.
#----------------------------------------------------------------------


ca:12345:ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t1 -a -r now
#在1-5执行等级中按下ctrl+alt+del时便又一次启动系统.


su:S016:once:/sbin/sulogin
#在S,0,1,6等级下会执行sulogin.
#一般而言,假设在用grub或lilo启动时,假设为kernel加上single參数时,会直接进入单用户模式,而无需password.造成一定安全隐患.加上这一行就可以解决这个问题.


1:2345:respawn:/sbin/agetty -I '\033(K' tty1 9600
2:2345:respawn:/sbin/agetty -I '\033(K' tty2 9600
3:2345:respawn:/sbin/agetty -I '\033(K' tty3 9600
4:2345:respawn:/sbin/agetty -I '\033(K' tty4 9600
5:2345:respawn:/sbin/agetty -I '\033(K' tty5 9600
6:2345:respawn:/sbin/agetty -I '\033(K' tty6 9600
#设置tty控制台数量,一般为tty[1-6],X窗体系统一般执行在tty7

通过查看/etc/inittab中的内容, 我们非常清楚的了解了init将通过执行 /etc/rc.d/rc.sysinit 脚本来准备软件执行的环境 (如网络、时区等). 至此, 第四步便已完毕.

5. init 运行 run-level 的各个服务启动 (script 方式);
第四步完毕后, init 还是依据inittab文件里指定的run-level, 来启动相应的服务. 详细有哪些服务, 我们能够依据不同的run-level相应的脚本文件来查看,
每一个run-level相应的脚本文件在inittab中都有说明, 例如以下所看到的:

0:0:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 0
1:S1:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 1
2:2:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 2
3:3:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 3
4:4:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 4
5:5:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 5
6:6:wait:/etc/rc.d/init.d/rc 6

至此, 我们以run-level为5简单看一下相应的脚本文件内容:

freeman@freeman-H55M-S2:/etc/rc5.d$ ls -l
lrwxrwxrwx 1 root root  20  9月 20 18:00 S20kerneloops -> ../init.d/kerneloops
lrwxrwxrwx 1 root root  15  9月 20 18:00 S20rsync -> ../init.d/rsync
lrwxrwxrwx 1 root root  27  9月 20 18:00 S20speech-dispatcher -> ../init.d/speech-dispatcher
lrwxrwxrwx 1 root root  15  9月 20 18:00 S50saned -> ../init.d/saned
lrwxrwxrwx 1 root root  19  9月 20 18:00 S70dns-clean -> ../init.d/dns-clean
lrwxrwxrwx 1 root root  18  9月 20 18:00 S70pppd-dns -> ../init.d/pppd-dns
lrwxrwxrwx 1 root root  21  9月 20 18:00 S99grub-common -> ../init.d/grub-common
lrwxrwxrwx 1 root root  18  9月 20 18:00 S99ondemand -> ../init.d/ondemand
lrwxrwxrwx 1 root root  18  9月 20 18:00 S99rc.local -> ../init.d/rc.local

简单说明一下这个文件的命名含义: S表示Start, K表示Kill, 后面的数字表示执行的顺序, 再后面的单词就是执行的程序名.
至此, 第五步便已完毕.

6. init 运行 /etc/rc.d/rc.local 文件;
在第五步完毕后, 系统基本上能够说已经跑起来了, 对于这一步, 仅仅是运行一些在系统启动之前的用户任务, 所以, 假设用户想在进入系统前, 做一些工作,
那么就能够在rc.local文件里动手脚.
 
7. init 运行终端机仿真程序 mingetty 来启动 login 程序,最后用户就能够登陆了;
在第六步完毕后, 系统缩须要的服务已启动完毕, 接下来Linux就会启动终端或X Window. 至此, 整个系统开机流程完毕.

參考资料:
鸟哥的私房菜(第三版)

BIOS与CMOS的差别

/etc/inittab文件分析