[系统运维]Linux 启动过程【详细讲解】

Linux 启动过程

Linux启主要分为6个阶段：

1. BIOS自检
2. 内核的引导
3. 运行init
4. 初始化系统
5. 建立终端
6. 用户登录系统

BIOS自检

计算机在连接电源后,CPU立即开始工作，执行被厂商刻在ROM里面的BIOS（基本输入输出系统，Basic Input Output System）。
此时CPU处于实模式，

实模式：CPU处于ring0特权，可以执行所有指令，操作硬件。
寄存器的位数是16位，然后地址线是20位，CPU的寻址空间是2^20，也就是1MB，即使是更先进的CPU，支持64位寄存器或者超过20根的地址线，同样只能使用寄存器中的16位和其中的20根地址线。详情可以参考这篇文章

当CPU通电后，会做一些重置操作，讲DS寄存器赋值为0X FFFF ， IP寄存器为 0X 0000，所以访问地址就对应着 0X FFFF0，地址0X FFFF0对应的空间 处于ROM的空间中，也就是开始执行BIOS程序。

上述图片是BIOS时期的CPU地址空间的映射布局。
重置完成后，BIOS进入BootLoader阶段

内核引导（BootLoader阶段）

在BootLoader阶段，系统会加载系统，BIOS会启动一个就被称为 boot loader的开机管理程序.（PS：每个操作系统都会安装一套boot loader到它自己的文件系统中。）

1. 检测存储设备的第一个扇区是不是以0xAA55结尾的，
   如果是以0xAA55结尾就说明这是一个操作系统的启动区。我们都知道一个扇区的大小一般是512字节，一个操作系统编译后的代码一般都是好几百MB，第一个扇区是无法装下操作系统所有的代码的，所以只会将操作系统的启动代码存储到第一个扇区内，这个扇区也叫做引导扇区，存储的内容叫做boot.img。

2. 加载内核
   GRUB和LILO都是常见的用于加载内核的引导加载程序。引导加载程序用于引导操作系统启动。当机器引导它的操作系统时，BIOS会读取引导介质上最前面的512字节（主引导记录）。在单一的MBR中只能存储一个操作系统的引导记录，所以当需要多个操作系统时就会出现问题，需要更灵活的引导加载程序。但是GRUB的功能更加强大一些，所以大部分系统使用的是GRUB，现如今GRUB也迭代到GRUB2了。所以本文主要针对GRUB2进行讲解

GNU GRUB（简称“GRUB”）,前生为Grand Unified Bootloader，是一个来自GNU项目的启动引导程序。GRUB是多启动规范的实现，它允许用户可以在计算机内同时拥有多个操作系统，并在计算机启动时选择希望运行的操作系统。GRUB可用于选择操作系统分区上的不同内核，也可用于向这些内核传递启动参数。多个系统的相关配置信息被写入到了一个配置文件grub.cfg中,包括系统的版本、系统镜像的位置等信息。

GRUB2的程序主要包括 boot.img和core.img。没错，这里的boot.img就是有之前的BIOS引导进来的，而core.img将会被boot.img加载进来。在core.img中又有许多部分，其中最先被加载的叫disk.img**，disk.img用来加载core.img中的其他模块，比如lzma_decompress.img、kernel.img等，这里的kernel是指grub2的内核，而不是操作系统的。
disk.img 加载lzma_decompress.img，lzma_decompress.img会对kernel.img进行解压，实模式的支持的内容空间不到1MB，而kernel.img*占的内存比较大，所以要从实模式切换到保护模式。

保护模式的做法：
1. 打开Gate20地址线，CPU可以使用其他的地址线了，意味着更大的寻址空间
2. 打开分段和分页，之前访问方式是不安全的，一个进程可以访问另一个进程的数据。所以引入了逻辑地址的方法，通过页表将逻辑地址转化为物理地址，而页表由操作系统内核维护，可以做到进程之间的安全隔离。

切换到保护模式后，lzma_decompress.img会执行kernel.img，开始真正的加载操作系统，kernel.img会调用grub_load_config() 方法来解析grub.cfg, 里面有一个grub_show_menu()会让用户选择操作系统，
这前面的部分无论是Windows、Linux还是MacOS是大同小异的。

操作系统的镜像一般分为两个部分：一部分是比较小的内核文件，其中包含实模式（无权限限制，所有的段都是可以读、写和可执行的）的内核代码，启动时被加载到640KB内存边界以下；另一部分就是大块内核，被加载到低端1MB内存地址以上。这里是参考文献

运行init

init进程是内核引导过程完成时创建的第一个进程。Linux使用了init进程来对组成Linux的服务和应用程序进行初始化。init程序也有很多类型，主要与linux版本有关
Sysv：centOS 5 以前的配置，配置文件：/etc/inittab
Upstart：CentOS 6 的配置，配置文件：/etc/inittab, /etc/init/*.conf
Systemd：CentOS 7 的配置，配置文件： /usr/lib/systemd/system, /etc/systemd/system。

init进程是系统所有进程的起点，init 程序首先是需要读取配置文件 /etc/inittab，其中有对运行级别的配置
然后就是启动一些服务，这里需要讲到另外一个十分重要的知识点：运行级别

运行级别（runlevel）

所谓运行级别，简单点来说，就是指操作系统当前正在运行的功能级别。启动时，系统会根据不同运行级别分配不同的开机启动程序（服务）。

• 运行级别原理
  在目录/etc/rc.d/init.d下，有许多的服务器脚本程序，一般称为服务（service）；在/etc/rc.d下有7个名为rcN.d（N的取值为0-6）的目录，对应系统的7个运行级别；rcN.d目录下都是一些符号链接文件，这些链接文件都指向init.d目录下的service脚本文件，这些链接文件的命名规则为K+nn+服务名或S+nn+服务名，其中nn为两位数字；系统会根据指定的运行级别进入对应的rcN.d目录，并按照文件名顺序检索目录下的链接文件：对于以K（Kill）开头的文件，系统将终止对应的服务；对于以S（Start）开头的文件，系统将启动对应的服务。
• 运行级别

在任何运行级别下，用户都可以使用init命令，来切换到其他的运行级别。

这里是参考文献

系统初始化

在init的配置文件中有这么一行：
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
它调用执行了rc.sysinit这个bash shell的脚本。完成系统的初始化工作，任何模式都会调用执行。
它主要完成的工作有：激活交换分区，检查磁盘，加载硬件模块以及其它一些需要优先执行任务。
rc.sysinit执行时根据具体配置选择系统启动基本，例如：

l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5

这一行中调用了/etc/rc.d/rc这个shell脚本，同时将参数5传给rc，去执行/etc/rc.d/rc5.d/目录下的所有的rc启动脚本，/etc/rc.d/rc5.d/目录中的这些启动脚本实际上都是一些连接文件，而不是真正的rc启动脚本，真正的rc启动脚本实际上都是放在/etc/rc.d/init.d/目录下。
/etc/rc.d/rc5.d/中的rc启动脚本通常是K或S开头的连接文件，对于以 S 开头的启动脚本，将以start参数来运行。

而如果发现存在相应的脚本也存在K打头的连接，而且已经处于运行态了(以/var/lock/subsys/下的文件作为标志)，则将首先以stop为参数停止这些已经启动了的守护进程，然后再重新运行。

这样做是为了保证是当init改变运行级别时，所有相关的守护进程都将重启。

至于在每个运行级中将运行哪些守护进程，用户可以通过chkconfig或setup中的***“System Services”***来自行设定，init详细过程参考

建立终端

rc执行完毕后，返回init。这时基本系统环境已经设置好了，各种守护进程（服务进程）也已经启动了。
init接下来会打开6个终端，以便用户登录系统。
在inittab中的以下6行就是定义了6个终端：

1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6

从上面可以看出在2、3、4、5的运行级别中都将以respawn方式运行mingetty程序，mingetty程序能打开终端、设置模式。
同时它会显示一个文本登录界面，这个界面就是我们经常看到的登录界面，在这个登录界面中会提示用户输入用户名，而用户输入的用户将作为参数传给login程序来验证用户的身份。

用户登录系统

用户登录主要方式:

• 命令行登录
• 图形界面登录
• ssh登录

Linux 的账号验证程序是 login，login 会接收 mingetty 传来的用户名作为用户名参数。
然后 login 会对用户名进行分析：如果用户名不是 root，且存在 /etc/nologin 文件，login 将输出 nologin 文件的内容，然后退出。
这通常用来系统维护时防止非root用户登录。只有/etc/security中登记了的终端才允许 root 用户登录，如果不存在这个文件，则 root 用户可以在任何终端上登录。
/etc/usertty文件用于对用户作出附加访问限制，如果不存在这个文件，则没有其他限制。
在分析完用户名后，login将搜索/etc/passwd以及/etc/shadow来验证密码以及设置账户的其他信息，比如：主目录什么、使用何种shell。如果没有指定主目录，则将主目录默认设置为根目录；如果没有指定shell，则将shell类型默认设置为/bin/bash。
Login程序成功后，会向对应的终端再输出最近一次登录的信息（在/var/log/lastlog中有记录），并检查用户是否有新邮件（在/usr/spool/mail的对应用户名目录下），然后开始设置各种环境变量。对于bash来说，系统首先寻找/etc/profile脚本文件并执行它；然后如果用户的主目录中存在.bash_profile文件，就执行它，在这些文件中又可能调用了其他配置文件，所有的配置文件执行后，各种环境变量也设好了，这时会出现大家熟悉的命令行提示符，至此整个启动过程就结束了。

总结