Linux 系统启动流程详解
通过对Linux系统有了必定了解和熟悉后，想对其更深层次的东西作进一步探究。这当中就包括系统的启动流程、文件系统的组成结构、基于动态库和静态库的程序在执行时的异同、协议栈的架构和原理、驱动程序的机制等等。html
本人在综合了现有网上你们智慧的基础上，结合对2.6.32的内核代码的研读，基于CentOS 6.0系统对Linux的启动流程作了些分析。因为才疏学浅，知识所限，有些地方分析不妥之处还请各位高手不吝赐教。linux
OK，咱们言归正传。对于一台安装了Linux系统的主机来讲，当用户按下开机按钮时，一共要经历如下几个过程，如图：shell
其中，每一个过程都执行了本身该作的初始化部分的事情，有些过程又可分为好几个子过程。接下来，咱们就对每一个阶段作一个详细分析和讲解。小程序
BIOS自检网络
稍有计算机基础的人都应该听过BIOS(Basic Input / Output System)，又称基本输入输出系统，能够视为是一个永久地记录在ROM中的一个软件，是操做系统输入输出管理系统的一部分。早期的BIOS芯片确实是"只读"的，里面的内容是用一种烧录器写入的，一旦写入就不能更改，除非更换芯片。如今的主机板都使用一种叫Flash EPROM的芯片来存储系统BIOS，里面的内容可经过使用主板厂商提供的擦写程序擦除后从新写入，这样就给用户升级BIOS提供了极大的方便。架构
BIOS的功能由两部分组成，分别是POST码和Runtime服务。POST阶段完成后它将从存储器中被清除，而Runtime服务会被一直保留，用于目标操做系统的启动。BIOS两个阶段所作的详细工做以下：ide
步骤1：上电自检POST(Power-on self test)，主要负责检测系统外围关键设备（如：CPU、内存、显卡、I/O、键盘鼠标等）是否正常。例如，最多见的是内存松动的状况，BIOS自检阶段会报错，系统就没法启动起来；oop
步骤2：步骤1成功后，便会执行一段小程序用来枚举本地设备并对其初始化。这一步主要是根据咱们在BIOS中设置的系统启动顺序来搜索用于启动系统的驱动器，如硬盘、光盘、U盘、软盘和网络等。咱们以硬盘启动为例，BIOS此时去读取硬盘驱动器的第一个扇区(MBR，512字节)，而后执行里面的代码。实际上这里BIOS并不关心启动设备第一个扇区中是什么内容，它只是负责读取该扇区内容、并执行。测试
至此，BIOS的任务就完成了，此后将系统启动的控制权移交到MBR部分的代码。字体
PS: 在我的电脑中，Linux的启动是从0xFFFF0地址开始的。
系统引导
咱们首先来了解一下MBR，它是Master Boot Record的缩写。硬盘的0柱面、0磁头、1扇区称为主引导扇区。它由三个部分组成，主引导程序(Bootloader)、 硬盘分区表DPT（Disk Partition table）和硬盘有效标志（55AA），其结构图以下所示：
磁盘分区表包含如下三部分：
1）、Partition ID （5：延申 82：Swap 83：Linux 8e：LVM fd：RAID）
2）、Partition起始磁柱
3）、Partition的磁柱数量
一般状况下，诸如lilo、grub这些常见的引导程序都直接安装在MBR中。咱们以grub为例来分析这个引导过程。
grub引导也分为两个阶段stage1阶段和stage2阶段(有些较新的grub又定义了stage1.5阶段)。
1)、stage1：stage1是直接被写入到MBR中去的，这样机器一启动检测完硬件后，就将控制权交给了GRUB的代码。也就是上图所看到的前446个字节空间中存放的是stage1的代码。BIOS将stage1载入内存中0x7c00处并跳转执行。stage1（/stage1/start.S）的任务很是单纯，仅仅是将硬盘0头0道2扇区读入内存。而0头0道2扇区内容是源代码中的/stage2/start.S，编译后512字节，它是stage2或者stage1_5的入口。而此时，stage1是没有识别文件系统的能力的。若是感受脑子有些晕了，那么下面的过程就直接跳过，去看stage2吧！
【外传】定位硬盘的0头0道2扇区的过程：
BIOS将stage1载入内存0x7c00处并执行，而后调用BIOS INIT13中断，将硬盘0头0道2扇区内容载入内存0x7000处，而后调用copy_buffer将其转移到内存0x8000处。在定位0头0道2扇区时一般有两种寻址方式：LBA和CHS。若是你是刨根问底儿型的爱好者，那么此时去找谷哥打听打听这两种方式的前因后果吧。
2)、stage2：严格来讲这里还应该再区分个stage1.5的，就一并把stage1.5放在这里一块儿介绍了，省得你们看得内心乱哄哄的。好的，咱们继续说0头0到2扇区的/stage2/start.S文件，当它的内容被读入到内存以后，它的主要做用就是负责将stage2或stage1.5从硬盘读到内存中。若是是stage2，它将被载入到0x820处；若是是stage1.5，它将被载入到0x2200处。这里的stage2或者stage1_5不是/boot分区/boot/grub目录下的文件，由于这个时候grub尚未能力识别任何文件系统。
? 若是start.S加载stage1.5：stage1.5它存放在硬盘0头0道3扇区向后的位置，stage1_5做为stage1和stage2中间的桥梁，stage1_5有识别文件系统的能力，此后grub才有能力去访问/boot分区/boot/grub目录下的 stage2文件，将stage2载入内存并执行。
? 若是start.S加载stage2：一样，这个stage2也不是/boot分区/boot/grub目录下的stage2，这个时候start.S读取的是存放在/boot分区Boot Sector的stage2。这种状况下就有一个限制：由于start.S经过BIOS中断方式直接对硬盘寻址（而非经过访问具体的文件系统），其寻址范围有限，限制在8GB之内。所以这种状况须要将/boot分区分在硬盘8GB寻址空间以前。
假如是情形2，咱们将/boot/grub目录下的内容清空，依然能成功启动grub；假如是情形1，将/boot/grub目录下stage2删除后，则系统启动过程当中grub会启动失败。
启动内核
当stage2被载入内存执行时，它首先会去解析grub的配置文件/boot/grub/grub.conf，而后加载内核镜像到内存中，并将控制权转交给内核。而内核会当即初始化系统中各设备并作相关的配置工做，其中包括CPU、I/O、存储设备等。
关于Linux的设备驱动程序的加载，有一部分驱动程序直接被编译进内核镜像中，另外一部分驱动程序则是以模块的形式放在initrd(ramdisk)中。
Linux内核须要适应多种不一样的硬件架构，可是将全部的硬件驱动编入内核又是不实际的，并且内核也不可能每新出一种硬件结构，就将该硬件的设备驱动写入内核。实际上Linux的内核镜像仅是包含了基本的硬件驱动，在系统安装过程当中会检测系统硬件信息，根据安装信息和系统硬件信息将一部分设备驱动写入 initrd 。这样在之后启动系统时，一部分设备驱动就放在initrd中来加载。这里有必要给你们再多介绍一下initrd这个东东：
initrd 的英文含义是 bootloader initialized RAM disk，就是由 boot loader 初始化的内存盘。在 linu2.6内核启动前，boot loader 会将存储介质中的 initrd 文件加载到内存，内核启动时会在访问真正的根文件系统前先访问该内存中的 initrd 文件系统。在 boot loader 配置了 initrd 的状况下，内核启动被分红了两个阶段，第一阶段先执行 initrd 文件系统中的init，完成加载驱动模块等任务，第二阶段才会执行真正的根文件系统中的 /sbin/init 进程。
另一个概念：initramfs
initramfs 是在 kernel 2.5中引入的技术，实际上它的含义就是：在内核镜像中附加一个cpio包，这个cpio包中包含了一个小型的文件系统，当内核启动时，内核将这个 cpio包解开，而且将其中包含的文件系统释放到rootfs中，内核中的一部分初始化代码会放到这个文件系统中，做为用户层进程来执行。这样带来的明显的好处是精简了内核的初始化代码，并且使得内核的初始化过程更容易定制。
疑惑的是：个人内核是2.6.32-71.el6.i686版本，但在个人/boot分区下面却存在的是/boot/initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img类型的文件，没搞明白，还望高人解惑。我只知道在2.6内核中支持两种格式的initrd，一种是2.4内核的文件系统镜像p_w_picpath-initrd，一种是cpio格式。接下来咱们就来探究一下initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img里到底放了那些东西。
在tmp文件夹中解压initrd.img里的内容：
若是initrd.img文件的格式显示为“initrd.img:ISO 9660 CD-ROM filesystem data”，则可直接输入命令“mount -o loop initrd.img /mnt/test”进行挂载。
经过上的分析和咱们的验证，咱们确实获得了这样的结论：
grub的stage2将initrd加载到内存里，让后将其中的内容释放到内容中，内核便去执行initrd中的init脚本，这时内核将控制权交给了init文件处理。咱们简单浏览一下init脚本的内容，发现它也主要是加载各类存储介质相关的设备驱动程序。当所需的驱动程序加载完后，会建立一个根设备，而后将根文件系统rootfs以只读的方式挂载。这一步结束后，释放未使用的内存，转换到真正的根文件系统上面去，同时运行/sbin/init程序，执行系统的1号进程。此后系统的控制权就全权交给/sbin/init进程了。
l 初始化系统
通过千辛万苦的跋涉，咱们终于接近黎明的曙光了。接下来就是最后一步了：初始化系统。/sbin/init进程是系统其余全部进程的父进程，当它接管了系统的控制权先以后，它首先会去读取/etc/inittab文件来执行相应的脚本进行系统初始化，如设置键盘、字体，装载模块，设置网络等。主要包括如下工做：
1)、执行系统初始化脚本(/etc/rc.d/rc.sysinit)，对系统进行基本的配置，以读写方式挂载根文件系统及其它文件系统，到此系统算是基本运行起来了，后面须要进行运行级别的肯定及相应服务的启动。rc.sysinit所作的事情(不一样的Linux发行版，该文件可能有些差别)以下：
（1）获取网络环境与主机类型。首先会读取网络环境设置文件"/etc/sysconfig/network"，获取主机名称与默认网关等网络环境。
（2）测试与载入内存设备/proc及usb设备/sys。除了/proc外，系统会主动检测是否有usb设备，并主动加载usb驱动，尝试载入usb文件系统。
（3）决定是否启动SELinux。
（4）接口设备的检测与即插即用（pnp）参数的测试。
（5）用户自定义模块的加载。用户能够再"/etc/sysconfig/modules/*.modules"加入自定义的模块，此时会加载到系统中。
（6）加载核心的相关设置。按"/etc/sysctl.conf"这个文件的设置值配置功能。
（7）设置系统时间（clock）。
（8）设置终端的控制台的字形。
（9）设置raid及LVM等硬盘功能。
（10）以方式查看检验磁盘文件系统。
（11）进行磁盘配额quota的转换。
（12）从新以读取模式载入系统磁盘。
（13）启动quota功能。
（14）启动系统随机数设备（产生随机数功能）。
（15）清楚启动过程当中的临时文件。
（16）将启动信息加载到"/var/log/dmesg"文件中。
当/etc/rc.d/rc.sysinit执行完后，系统就能够顺利工做了，只是还须要启动系统所须要的各类服务，这样主机才能够提供相关的网络和主机功能，所以便会执行下面的脚本。
2)、执行/etc/rc.d/rc脚本。该文件定义了服务启动的顺序是先K后S，而具体的每一个运行级别的服务状态是放在/etc/rc.d/rc*.d（*=0~6）目录下，全部的文件均是指向/etc/init.d下相应文件的符号连接。rc.sysinit经过分析/etc/inittab文件来肯定系统的启动级别，而后才去执行/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
也就是说，/etc目录下的init.d、rc、rc*.d、rc.local和rc.sysinit均是指向/etc/rc.d目录下相应文件和文件夹的符号连接。咱们以启动级别3为例来简要说明一下。
/etc/rc.d/rc3.d目录，该目录下的内容所有都是以 S 或 K 开头的连接文件，都连接到"/etc/rc.d/init.d"目录下的各类shell脚本。S表示的是启动时须要start的服务内容，K表示关机时须要关闭的服务内容。/etc/rc.d/rc*.d中的系统服务会在系统后台启动，若是要对某个运行级别中的服务进行更具体的定制，经过chkconfig命令来操做，或者经过setup、ntsys、system-config-services来进行定制。若是咱们须要本身增长启动的内容，能够在init.d目录中增长相关的shell脚本，而后在rc*.d目录中创建连接文件指向该shell脚本。这些shell脚本的启动或结束顺序是由S或K字母后面的数字决定，数字越小的脚本越先执行。例如，/etc/rc.d/rc3.d /S01sysstat就比/etc/rc.d/rc3.d /S99local先执行。
3)、执行用户自定义引导程序/etc/rc.d/rc.local。其实当执行/etc/rc.d/rc3.d/S99local时，它就是在执行/etc/rc.d/rc.local。S99local是指向rc.local的符号连接。就是通常来讲，自定义的程序不须要执行上面所说的繁琐的创建shell增长连接文件的步骤，只须要将命令放在rc.local里面就能够了，这个shell脚本就是保留给用户自定义启动内容的。
4)、完成了系统全部的启动任务后，linux会启动终端或X-Window来等待用户登陆。tty1,tty2,tty3...这表示在运行等级1，2，3，4的时候，都会执行"/sbin/mingetty"，并且执行了6个，因此linux会有6个纯文本终端，mingetty就是启动终端的命令。
除了这6个以外还会执行"/etc/X11/prefdm-nodaemon"这个主要启动X-Window
至此，系统就启动完毕了。以上分析不到的地方还请各位大虾不吝指正。
关于Linux的其余分析内容下次再继续写。
最后附上一张很是完整的系统启动流程图，适合各个水平阶段的读者。
参考文献：
http://www.cnblogs.com/scnutiger/archive/2009/09/30/1576795.html
http://www.it.com.cn/f/edu/0411/24/51090.htm
http://bbs.chinaunix.net/thread-2046548-1-1.html
http://space.itpub.net/8111049/viewspace-680043
http://dongdiy.blog.51cto.com/1908223/366909