Linux基础之系统启动流程

青旅半醒 2023-06-18 04:53 20阅读 0赞

# 操作系统启动过程 #

操作系统启动过程简单分为四部分，从BIOS自检、系统引导、启动内核、初始化系统。其中每个部分又分为多个自部分，操作系统的建立是一个相对比较复杂的事情。

Linux内核是从入口点开始执行的，入口点程序又称为初始化程序，其任务是为Linux操作系统的运行做好必要的准备，如将内核镜像（bzimage）在物理地址展开、获取计算机组成部分的配置参数、建立各种管理用的数据结构、启动各类守护进程、建立人机交互环境等。

Linux内核是一个驻留在外存中的程序，在运行前必须先将其读入物理内存。将Linux内核读入内存的工作成为引导，完成引导的程序被称为引导程序。引导也是在外存中的程序，所以在运行之前需要将其读入内存。讲引导读入内存的工作由BIOS（basic input output system）完成。BIOS驻留在非易失存储器中，不需要引导。

引导程序在linux内核读入后，将控制权交给内核头部的实模式初始化程序（main.c），在实模式下完成初始化工作，再将处理器切换到保护模式，而后转入解压程序。解压程序将内核镜像解压到物理地址中，然后把处理器的控制权交给内核首部程序。内核首部程序正式完成内核初始化。

每个过程都执行了自己该做的初始化部分的事情，有些过程又可分为好几个子过程。

## CentOS 6 启动流程 ##

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### 　** 第一步、硬件启动阶段** ###

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简单说一下这一步的流程：打开电源；POST自检；BIOS逐一排查设备启动顺序；如果是硬盘启动，读取硬盘的MBR的BootLoader。（这里默认MBR分区，暂不考虑GPT分区）

这里主要有三个需要了解的地方BIOS启动顺序、MBR和BootLoader。

**(1).MBR**

MBR（Main Boot Record），是硬盘的0柱面，0磁道、1扇区（第一个扇区），称为主引导扇区，也称为主引导记录。它由三部分组成：主引导程序（BootLoader）、硬盘分区表DPT（Disk Partition table）和硬盘有效标志（55AA）。

注：硬盘默认一个扇区大小为512字节。

第一部分，主引导程序（BootLoader）占446个字节，负责从活动分区中装载，并运行系统引导程序。

第二部分，硬盘分区表DPT占64个字节，有4个分区表项，每个分区表项占16个字节，硬盘中分区有多少以及每一个分区的大小都记录在其中。

第三部分，硬盘有效标志，占2个字节，固定为55AA。如果这个标志位0xAA55，就认为这个是MBR。

**(2).BootLoader**

不同的系统有不同的主引导程序（BootLoader）。Windows使用的是NTLDR（NT Loader，Windows NT系列操作系统）、Bootmgr（Boot Manager，Windows Vista，7，8，10），Linux一般使用的是grub（也叫grub legacy）和grub2。

CentOS6一般使用的是grub。GRUB（GRand Unified Bootloader）是一个来自GNU项目的多操作系统启动程序。

### **第二步、GRUB引导阶段** ###

**![format_png 2][]**

简单说一下这一步的流程：GRUB程序加载执行并引导kernel（内核）程序，其中有三个阶段。

grub引导阶段的文件都在/boot/grub/目录下

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(1).Stage1阶段

这一阶段其实执行的就是系统安装时预先写入到MBR的Bootloader程序。它的任务仅是读取（加载）硬盘的0柱面，0磁道，2扇区的内容（/boot/grub/stage1）并执行。

这一阶段，使硬件初始化，为Stage2准备RAM空间（内存空间），读取Stage2到RAM空间（应该涉及到了Stage1.5阶段）。就是Stage1.5阶段或Stage2阶段的入口，引导进入Stage1.5阶段或Stage2阶段。

另外，这一阶段并没有识别文件系统的能力。

(2).Stage1.5阶段

这一阶段是Stage1阶段和Stage2阶段的桥梁，具有识别分区文件系统的能力，此后grub程序便有能力去访问/boot/grub/stage2，并将其读取到内存执行。

(3).Stage2阶段

这一阶段会（初始化本阶段需要用到的硬件，检测系统的内存映像，）解析grub的配置文件/boot/grub/grub.conf，根据配置文件加载内核镜像到内存中，通过initrd程序建立虚拟根文件系统，最后调用（转交）内核

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### **第三步、内核引导阶段** ###

![format_png 3][]

简单说一下这一步的流程：通过内存中的虚拟根文件系统，加载驱动，然后切换到真正的根文件系统，并执行/sbin/init程序。

### **第四步、init初始化阶段（又叫系统初始化阶段）** ###

![format_png 4][]

简单说一下这一步的流程：/sbin/init程序会读取/etc/inittab文件确认运行级别，然后执行/etc/rc.d/rc脚本，根据确认的运行级别启动对应/etc/rc.d/rc\#.d/目录下的服务（\#为0~6），与此同时执行系统初始化脚本/etc/rc.sysinit（软链接，指向/etc/rc.d/rc.sysinit），还会加载/etc/rc.local（软链接，指向/etc/rc.d/rc.local文件）用户自定义服务（脚本）。

/etc/rc.d/目录下的文件几乎在上一次都有相应的软链接（也就是/etc/目录下），唯一没有的/etc/rc.d/init.d/目录又似乎与/etc/init.d/目录完全相同

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(1)./etc/inittab文件

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这里的数字 3 代表启动级别是 3

启动级别：

0　　关机

1　　单用户模式、维护模式、急救模式

2　　没有网络的多用户模式

3　　完整的多用户模式

4　　预留级别，暂时没用，不用考虑

5　　图形界面，XWindows

6　　重启

(2)./etc/rc.d/rc\#.d/目录

在启动时执行的/etc/rc.d/rc脚本，会调用/etc/rc.d/rc\#.d/目录下的文件

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K开头的文件：要停止的服务（脚本），从01开始关闭，数字越小优先级越高

S开头的文件：要启动的服务（脚本），从01开始启动，数字越小优先级越高

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### 　**第五步、启动终端** ###

![format_png 5][]

最后一步就是用户登录。

# **Centos 7 启动流程** #

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**第一步、硬件启动阶段**

这一步和CentOS6差不多。

**第二步、GRUB2引导阶段**

从这一步开始，CentOS6和CentOS7的启动流程区别开始展现出来了。CentOS7的主引导程序使用的是grub2。

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简单说一下这一步的流程：显示加载两个镜像，再加载MOD模块文件，把grub2程序加载执行，接着解析配置文件/boot/grub/grub.cfg，根据配置文件加载内核镜像到内存，之后构建虚拟根文件系统，最后转到内核。

在这里grub.cfg配置文件已经比较复杂了，但并不用担心，到了CentOS7中一般是使用命令进行配置，而不直接去修改配置文件了。

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一般修改好配置后都需要使用命令grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg，将配置文件重新生成。这里就涉及到/etc/default/grub文件以及/etc/grub.d/目录。

**第三步、内核引导阶段**

这一步与CentOS6也差不多，加载驱动，切换到真正的根文件系统，唯一不同的是执行的初始化程序变成了/usr/lib/systemd/systemd

**第四步、systemed初始化阶段（又叫系统初始化阶段）**

CentOS7中我们的初始化进程变为了systemd。执行默认target配置文件/etc/systemd/system/default.target（这是一个软链接，与默认运行级别有关）。然后执行sysinit.target来初始化系统和basic.target来准备操作系统。接着启动multi-user.target下的本机与服务器服务，并检查/etc/rc.d/rc.local文件是否有用户自定义脚本需要启动。最后执行multi-user下的getty.target及登录服务，检查default.target是否有其他的服务需要启动。

注意：/etc/systemd/system/default.target指向了/lib/systemd/system/目录下的graphical.target或multiuser.target。而graphical.target依赖multiuser.target，multiuser.target依赖basic.target，basic.target依赖sysinit.target，所以倒过来执行。

System概述（了解）：systemd即为system daemon，是Linux下的一种init软件，开发目标是提供更优秀的框架以表示系统服务间的以来关系，并依此实现系统初始化时服务的**并行**启动，同时达到降低Shell系统开销的效果，最终代替现在常用的System V与BSD风格的init程序。

与多数发行版使用的System V风格的init相比，systemd采用了以下的新技术：A.采用Socket激活式与总线激活式服务，以提高相互依赖的各服务的并行运行性能；B.用Cgroup代替PID来追踪进程，即使是两次fork之后生成的守护进程也不会脱离systemd的控制。

unit对象：unit表示不同类型的systemd对象，通过配置文件进行标识和配置；文件中主要包含了系统服务、监听socket、保存的系统快照以及其他与init相关的信息。（也就是CentOS6中的服务器启动脚本）

(1)./etc/systemd/system/default.target

这是一个软链接，和默认运行级别相关

![20191130115428328.png][]

我们可以到这个目录下看看

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这里可以看到runlevel开头的target文件，对应着CentOS6的启动级别，不过一样是软链接，指向了同目录下的其他文件，也算一种向下兼容吧

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(2)./usr/lib/systemd/system/

这个目录存储每个服务的脚本，类似CentOS6的/etc/init.d/。

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(2)./run/systemd/system/

系统执行过程中产生的脚本。

(3)./etc/systemd/system/

类似于CentOS6的/etc/rc.d/rc\#.d/SXX类文件的功能，管理员建立的执行脚本，大部分是软链接。

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