Linux 系統啟動過程分析

經過對 Linux 系統有了一定了解和熟悉后，想對其更深層次的東西做進一步探究。這當中就包括系統的啟動流程、文件系統的組成結構、基于動態庫和靜態庫的程序在執行時的異同、協議棧的架構和原理、驅動程序的機制等等。

本人在綜合了現有網上大家智慧的基礎上，結合對 Linux 2.6.32 的內核代碼的研讀，基于CentOS 6.0系統對Linux的啟動流程做了些分析。由于才疏學淺，知識所限，有些地方分析不妥之處還請各位高手不吝賜教。

OK，我們言歸正傳。對于一臺安裝了Linux系統的主機來說，當用戶按下開機按鈕時，一共要經歷以下幾個過程，如圖：

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

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。實際上這里BIOS并不關心啟動設備第一個扇區中是什么內容，它只是負責讀取該扇區內容、并執行。

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。

PS: 在個人電腦中，Linux的啟動是從0xFFFF0地址開始的。

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：

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

2）、Partition起始磁柱

3）、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引導也分為兩個階段stage1階段和stage2階段(有些較新的grub又定義了stage1.5階段)。

1)、stage1：stage1是直接被寫入到MBR中去的，這樣機器一啟動檢測完硬件后，就將控制權交給了GRUB的代碼。也就是上圖所看到的前446個字節空間中存放的是stage1的代碼。BIOS將stage1載入內存中0x7c00處并跳轉執行。stage1（/stage1/start.S）的任務非常單純，僅僅是將硬盤0頭0道2扇區讀入內存。而0頭0道2扇區內容是源代碼中的/stage2/start.S，編譯后512字節，它是stage2或者stage1_5的入口。而此時，stage1是沒有識別文件系統的能力的。如果感覺腦子有些暈了，那么下面的過程就直接跳過，去看stage2吧！

【外傳】定位硬盤的0頭0道2扇區的過程：

BIOS將stage1載入內存0x7c00處并執行，然后調用BIOS INIT13中斷，將硬盤0頭0道2扇區內容載入內存0x7000處，然后調用copy_buffer將其轉移到內存0x8000處。在定位0頭0道2扇區時通常有兩種尋址方式：LBA和CHS。如果你是刨根問底兒型的愛好者，那么此時去找谷哥打聽打聽這兩種方式的來龍去脈吧。

2)、stage2：嚴格來說這里還應該再區分個stage1.5的，就一并把stage1.5放在這里一起介紹了，免得大家看得心里亂哄哄的。好的，我們繼續說0頭0到2扇區的/stage2/start.S文件，當它的內容被讀入到內存之后，它的主要作用就是負責將stage2或stage1.5從硬盤讀到內存中。如果是stage2，它將被載入到0x820處；如果是stage1.5，它將被載入到0x2200處。這里的stage2或者stage1_5不是/boot分區/boot/grub目錄下的文件，因為這個時候grub還沒有能力識別任何文件系統。

如果start.S加載stage1.5：stage1.5它存放在硬盤0頭0道3扇區向后的位置，stage1_5作為stage1和stage2中間的橋梁，stage1_5有識別文件系統的能力，此后grub才有能力去訪問/boot分區/boot/grub目錄下的 stage2文件，將stage2載入內存并執行。

如果start.S加載stage2：同樣，這個stage2也不是/boot分區/boot/grub目錄下的stage2，這個時候start.S讀取的是存放在/boot分區Boot Sector的stage2。這種情況下就有一個限制：因為start.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），其尋址范圍有限，限制在8GB以內。因此這種情況需要將/boot分區分在硬盤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，則系統啟動過程中grub會啟動失敗。

啟動內核

當stage2被載入內存執行時，它首先會去解析grub的配置文件/boot/grub/grub.conf，然后加載內核鏡像到內存中，并將控制權轉交給內核。而內核會立即初始化系統中各設備并做相關的配置工作，其中包括CPU、I/O、存儲設備等。

關于Linux的設備驅動程序的加載，有一部分驅動程序直接被編譯進內核鏡像中，另一部分驅動程序則是以模塊的形式放在initrd(ramdisk)中。

Linux內核需要適應多種不同的硬件架構，但是將所有的硬件驅動編入內核又是不實際的，而且內核也不可能每新出一種硬件結構，就將該硬件的設備驅動寫入內核。實際上Linux的內核鏡像僅是包含了基本的硬件驅動，在系統安裝過程中會檢測系統硬件信息，根據安裝信息和系統硬件信息將一部分設備驅動寫入 initrd 。這樣在以后啟動系統時，一部分設備驅動就放在initrd中來加載。這里有必要給大家再多介紹一下initrd這個東東：

initrd 的英文含義是 bootloader initialized RAM disk，就是由 boot loader 初始化的內存盤。在 linu2.6內核啟動前，boot loader 會將存儲介質中的 initrd 文件加載到內存，內核啟動時會在訪問真正的根文件系統前先訪問該內存中的 initrd 文件系統。在 boot loader 配置了 initrd 的情況下，內核啟動被分成了兩個階段，第一階段先執行 initrd 文件系統中的init，完成加載驅動模塊等任務，第二階段才會執行真正的根文件系統中的 /sbin/init 進程。

另外一個概念：initramfs

initramfs 是在 kernel 2.5中引入的技術，實際上它的含義就是：在內核鏡像中附加一個cpio包，這個cpio包中包含了一個小型的文件系統，當內核啟動時，內核將這個 cpio包解開，并且將其中包含的文件系統釋放到rootfs中，內核中的一部分初始化代碼會放到這個文件系統中，作為用戶層進程來執行。這樣帶來的明顯的好處是精簡了內核的初始化代碼，而且使得內核的初始化過程更容易定制。

疑惑的是：我的內核是2.6.32-71.el6.i686版本，但在我的/boot分區下面卻存在的是/boot/initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img類型的文件，沒搞明白，還望高人解惑。我只知道在2.6內核中支持兩種格式的initrd，一種是2.4內核的文件系統鏡像image-initrd，一種是cpio格式。接下來我們就來探究一下initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img里到底放了那些東西。

在tmp文件夾中解壓initrd.img里的內容：

如果initrd.img文件的格式顯示為“initrd.img:ISO 9660 CD-ROM filesystem data”，則可直接輸入命令“mount -o loop initrd.img /mnt/test”進行掛載。

通過上的分析和我們的驗證，我們確實得到了這樣的結論：

grub的stage2將initrd加載到內存里，讓后將其中的內容釋放到內容中，內核便去執行initrd中的init腳本，這時內核將控制權交給了init文件處理。我們簡單瀏覽一下init腳本的內容，發現它也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

經過千辛萬苦的跋涉，我們終于接近黎明的曙光了。接下來就是最后一步了：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先之后，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：

1)、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。rc.sysinit所做的事情(不同的Linux發行版，該文件可能有些差異)如下：

（1）獲取網絡環境與主機類型。首先會讀取網絡環境設置文件”/etc/sysconfig/network”，獲取主機名稱與默認網關等網絡環境。

（2）測試與載入內存設備/proc及usb設備/sys。除了/proc外，系統會主動檢測是否有usb設備，并主動加載usb驅動，嘗試載入usb文件系統。

（3）決定是否啟動SELinux。

（4）接口設備的檢測與即插即用（pnp）參數的測試。

（5）用戶自定義模塊的加載。用戶可以再”/etc/sysconfig/modules/*.modules”加入自定義的模塊，此時會加載到系統中。

（6）加載核心的相關設置。按”/etc/sysctl.conf”這個文件的設置值配置功能。

（7）設置系統時間（clock）。

（8）設置終端的控制臺的字形。

（9）設置raid及LVM等硬盤功能。

（10）以方式查看檢驗磁盤文件系統。

（11）進行磁盤配額quota的轉換。

（12）重新以讀取模式載入系統磁盤。

（13）啟動quota功能。

（14）啟動系統隨機數設備（產生隨機數功能）。

（15）清楚啟動過程中的臨時文件。

（16）將啟動信息加載到”/var/log/dmesg”文件中。

當/etc/rc.d/rc.sysinit執行完后，系統就可以順利工作了，只是還需要啟動系統所需要的各種服務，這樣主機才可以提供相關的網絡和主機功能，因此便會執行下面的腳本。

2)、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

/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。我們以啟動級別3為例來簡要說明一下。

/etc/rc.d/rc3.d目錄，該目錄下的內容全部都是以 S 或 K 開頭的鏈接文件，都鏈接到”/etc/rc.d/init.d”目錄下的各種shell腳本。S表示的是啟動時需要start的服務內容，K表示關機時需要關閉的服務內容。/etc/rc.d/rc*.d中的系統服務會在系統后臺啟動，如果要對某個運行級別中的服務進行更具體的定制，通過chkconfig命令來操作，或者通過setup、ntsys、system-config-services來進行定制。如果我們需要自己增加啟動的內容，可以在init.d目錄中增加相關的shell腳本，然后在rc*.d目錄中建立鏈接文件指向該shell腳本。這些shell腳本的啟動或結束順序是由S或K字母后面的數字決定，數字越小的腳本越先執行。例如，/etc/rc.d/rc3.d /S01sysstat就比/etc/rc.d/rc3.d /S99local先執行。

3)、執行用戶自定義引導程序/etc/rc.d/rc.local。其實當執行/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。

4)、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。以上分析不到的地方還請各位大蝦不吝指正。

關于Linux的其他分析內容下次再繼續寫。

最后附上一張非常完整的系統啟動流程圖，適合各個水平階段的讀者。