Linux基础知识之启动流程分析

Linux系统启动原理：

1.power on 开机。

2.开机自检：

电脑开机后首先加载BIOS（Basic Input/Output System基本输入输出系统）。BIOS程序首先检查计算机能否满足运行的基本条件，这个叫做“硬件自检Power On Self Test”。也就是BIOS POST开机自检。

3.BIOS对硬件进行检测：

主要检查：主板、CPU、内存、磁盘、网卡、声卡、显卡、鼠标、键盘、显示器等。

4.启动顺序：

硬件自检完成后，BIOS把控制权转交给下一个阶段的启动顺序。BIOS需要有一个外部存储设备的启动排序，排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。这种启动顺序就是引导顺序Boot Sequence。一般是：硬盘、网卡、光盘、移动硬盘等。

5.加载MBR （主引导记录）

MBR是主引导记录，Master Boot Record 。主引导记录一共512字节。位于磁盘的0柱面0磁道0号扇区（第一个扇区）。MBR 512字节分成三部分，446个字节Bootloader主引导记录，64个字节的硬盘分区表DPT（Disk Partition Table），2个字节扇区结尾标志55aa。它的主要作用是告诉计算机去硬盘的哪个位置去找操作系统。

一般GRUB是用来加载和管理系统启动的完整程序，它是Linux发行版中最常见的引导程序boot loader。引导程序是计算机启动时运行的第一个软件，grub程序安装在boot loader里面。GRUB是GRandUnified Bootloader大型统一引导程序。

6.启动管理器grub

计算机读取“主引导记录”的前面446字节，不再把控制权交给哪一个分区，而是运行事先安装的启动管理器boot loader，由用户选择启动哪一个操作系统。Linux中最流行的启动管理器是GRUB。在centos7中启动管理器是GRUB2。

grub的作用是在系统中选择性地引导不同的OS，实际上是加载引导不同的内核镜像文件，当内核挂载成功之后，就把控制权交给内核程序。

7.centos7中的启动管理器grub2

MBR主引导记录加载并执行grub2引导加载程序。grub2配置文件位于/boot/grub2/grub.cfg中，由grub2 mkconfig使用/etc/grub.d中的模板和/etc/default/grub中的设置自动生成。

grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg

grub2配置文件在/boot/grub2/grub2.cfg中，/etc/grub2.cfg是它的软链接。

在grub2.cfg文件中设置操作系统的启动centos7系统，比如：

menuentry 'xxx Linux' {

set root='hd0,gpt1'

linuxefi /boot/vmlinux-4.14.105-19-1002 root=/dev/sda1

initrdefi /boot/initramfs-4.14.105-19-1002.img

}

如果是centos6的系统，一般是：

title CentOS (2.6.32-754.35.1.el6.x86_64)

root (hd0,0)

kernel /boot/vmlinuz-2.6.32-754.35.1.el6.x86_64 ro root=UUID=94e4e38

4-0ace-437f-bc96-057dd64f42ee rd_NO_LUKS rd_NO_LVM LANG=en_US.UTF-8 rd_NO_MD

SYSFONT=latarcyrheb-sun16 crashkernel=auto KEYBOARDTYPE=pc KEYTABLE=us rd_

NO_DM rhgb quiet console=tty0 console=ttyS0,115200n8 net.ifnames=0

initrd /boot/initramfs-2.6.32-754.35.1.el6.x86_64.img

grub引导菜单决定启动哪个操作系统。

8.加载内核

加载内核kernel：根据grub设定的内核镜像所在的路径，系统读取内核镜像，并且进行解压操作。系统将解压后的内核放置在内存中，并使用start_kernel()函数来启动一系列的初始化函数并且初始化各种设备，完成Linux 核心环境的建立。

Linux的系统内核放在了/boot的启动目录中。

①：config-$(uname -r)文件，是内核的配置文件，是内核编译时选择的功能和模块。

②：efi目录：是可扩展固件接口，是英特尔为全新PC固件的体系结构、接口和服务提出的建议标准。

③：grub目录：启动引导程序grub的数据目录，里面放了一个splash.xpm.gz，是背景图的图片。

④：initramfs-$(uname -r).img 是一个虚拟的文件系统，在centos7.x中使用initramfs替换掉了centos6.x中的initrd，但是功能是一样的。

⑤：symvers-$(uname -r).gz 是模块的符号信息。

⑥：System.map-$(uname -r) 是内核功能和内核地址的对应列表，映射列表。

⑦：vmlinuz-$(uname -r) 用于启动Linux的内核，这个文件是一个压缩的内核镜像文件。

⑧：vmlinux-$(uname -r) 是Linux的内核文件。

Vmlinux与linuz是有区别的。VM代表Virtual Memory虚拟内核。vmlinux是一个包括linux kernel的静态链接的可运行文件，编译内核源码得到的最原始的内核文件，未压缩，比较大，是elf格式的文件。

vmlinux是elf格式的文件，可以通过readelf -h查看程序头表（program headers），是5个。还可以通过readelf -S 查看vmlinux的节头表（section headers）。

vmlinuz是可引导的，经过压缩的Linux内核。vmlinuz是vmlinux经过gzip和objcopy制作出来的压缩文件。vmlinuz是一个统称，它有两种详细的表现形式：zImage和bzImage。

bzImage是vmlinux经过gzip压缩后的文件，适用于大内核（bzImage是x86 linux常用的一种压缩镜像文件 ）。

zImage是vmlinux经过gzip压缩后的文件，适用于小内核（ zImage是ARM32 linux常用的一种压缩镜像文件）。

bz表示big zImage,它的格式与zImage类似，但采用了不同的压缩算法，bzImage的压缩率更高。

执行命令:file vmlinuz-$(uname -r)可以看到文件类型是Linux kernel x86 boot executable bzImage。

Linux安装在ide硬盘中，并且采用的是默认的ext3/ext4文件系统的，内核启动后加载根分区和模块的加载都没问题，Linux系统会顺利启动。如果Linux系统安装在scsi硬盘上，或者使用LVM文件系统，内核在加载根目录之前要加载scsi硬盘或者lvm文件系统的驱动。SCSI磁盘和LVM文件系统的驱动都放在硬盘的/lib/modules/目录中，内核没有办法识别scsi硬盘或者lvm文件系统，Linux使用initramfs这个虚拟的文件系统去处理问题。centos7.x中使用initramfs虚拟文件系统，通过引导程序加载到内存中，然后会解压并且在内存中仿真成一个根目录，并且这个仿真的文件系统能够提供一个可执行程序，通过程序去加载启动过程中所需要的模块，比如SATA、SCSI磁盘驱动和LVM、RAID文件系统的驱动。

通过 initramfs 虚拟文件系统在内存中模拟出一个根目录，然后在这个模拟根目录中加载 SCSI 等硬件的驱动，就可以加载真正的根目录了，之后才能调用 Linux 的第一个进程 /sbin/init或者是systemd进程，centos7中是systemd。

当所需要的驱动程序加载完成之后，会根据/boot/grub2/grub2.cfg配置文件中的root=(hd0,gpt1)的部分所指定的内容创建一个根设备，然后将根文件系统以只读的方式挂载，并切换到真正的根文件系统上，同时调用系统进程的/sbin/init程序或者是/usr/lib/systemd/systemd程序，进入系统初始化的阶段。

在初始化的最后，内核运行initramfs中的init程序，该程序将探测硬件设备、加载驱动，挂载真正的文件系统，执行文件系统上的/sbin/init或者systemd，进而切换到真正的用户空间。真正的文件系统挂载后，initramfs即完成了使命，其占用的内存也会被释放。

initramfs是可以解压的，使用skipcpio命令：

/usr/lib/dracut/skipcpio initramfs-$(uname -r).img | zcat| cpio -ivd

解压之后可以看到init进程做了软链接，软链接到了/usr/lib/systemd/systemd。

鼓励的话语：顺境不飘，逆境不忧，绝境不慌。胸怀大志，当忍则忍。