CentOS6开机启动过程详解

Posted 2021-04-06 Linux公社

CentOS 6 开机流程——Linux由kernel和rootfs组成。kernel负责进程管理、内存管理、网络管理、驱动程序、文件系统、安全等;rootfs由程序和glibc组成，完善操作系统的功能。同时Linux内核的特点是模块化，通过对模块装载卸载可以对内核功能自定义。Linux内核镜像文件：/boot/vmlinuz-2.6.32-696.el6.x86_64

整体的流程

• Bios/开机自检

• MBR引导（Boot Loader）

• 启动内核

• 启动第一个进程init

一、BIOS/开机自检

1.1 微控制器

    系统想要启动必须先加载BIOS，按下电源键时，给微控制器下达一条复位指令，各寄存器复位，最后下达一条跳转指令，跳转到BIOS的ROM，使得硬件去读取主板上的BIOS程序，在这之前都是由硬件来完成，之后硬件就会把控制权交给BIOS；

1.2 BIOS->POST

    随后BIOS程序加载CMOS（可读写的RAM芯片，保存BIOS设置硬件参数的数据）的信息，借CMOS取得主机的各项硬件配置；

    取得硬件配置的信息之后，BIOS进行加电自检（Power-on self Test，POST）过程,检测计算机各种硬件信息，如果发现硬件错误则会报错（发出声音警告）；

    之后BIOS对硬件进行初始化

    BIOS将自己复制到物理内存中继续执行，开始按顺序搜寻可引导存储设备，决定存储设备的顺序（即定义第一个可引导的磁盘，当然是在有两个磁盘的前提），接下来就会读取磁盘的内容，但是要读取磁盘文件必须要有文件系统，这对BIOS挂载文件系统来说是不可能，因此需要一个不依赖文件系统的方法使得BIOS读取磁盘内容，这种方法就是引入MBR。最后BIOS通过INT 13硬件中断功能读取第一个可引导的存储设备的MBR（0磁道0扇区）中的boot loader。将MBR加载到物理内存中执行。小tip：判断可引导磁盘就是判断每个磁盘前512字节结尾是否存在55AA，有就是可引导，没有就继续检查下一个磁盘。

    MBR载入内存后，BIOS将控制权转交给MBR（准确的说应该是MBR中的boot loader），然后MBR接管任务开始执行。

二、MBR引导（Boot Loader）

    载入了第一个可引导的存储设备的MBR后，MBR中的boot loader就要读取所在磁盘的操作系统核心文件（即后面所说的内核）了。

2.1 boot loader

    但是呢还存在一些问题，不同操作系统的文件系统格式不同？还有我们知道一个磁盘可以安装多个操作系统，boot loader怎么能够做到引导的就是我们想要的操作系统呢？这么多不同的功能单靠一个446字节的boot loader是远远不够的。因此必须弄一个相对应的程序来处理各自对应的操作系统核心文件，这个程序就是操作系统的loader（注意不是MBR中的boot loader），这样一来boot loader只需要将控制权交给对应操作系统的loader，让它负责去启动操作系统就行了。

    这里有张图能更好地解释boot loader的作用：

   

    解读上图内容，我们知道一个硬盘的每个分区的第一个扇区叫做boot sector，这个扇区存放的就是操作系统的loader，所以我们常说一个分区只能安装一个操作系统，如上图，第一个分区的boot sector存放着windows的loader，第二个分区放着Linux的loader，第三个第四个由于没有安装操作系统所以空着。至于MBR的boot loader是干嘛呢， boot loader有三个功能：提供选单，读取内核文件，转交给其他loader ，

    提供选单就是给用户提供一张选项单，让用户选择进入哪个操作系统；

    读取内核文件，我们知道系统会有一个默认启动的操作系统，这个操作系统的loader在所在分区的boot sector有一份，除此之外，也会将这个默认启动的操作系统的loader复制一份到MBR的boot loader中，这样一来MBR就会直接读取boot loader中的loader了，然后就是启动默认的操作系统；

    转交个其他的loader，当用户选择其他操作系统启动的时候，boot loader会将控制权转交给对应的loader，让它负责操作系统的启动。

    另外我看书上写，安装windows操作系统的时候，windows会主动复制一份自己的loader到MBR中的boot loader中，这种操作在linux下不会。所以我们安装多重操作系统的时候要求先安装windows，然后再安装Linux；我们假设先安装Linux，再安装windows的时候就会自动把windows的loader复制到MBR中的boot loader，这样一来就会默认优先启动windows。然而先安装windows，自动复制windows的loader到boot loader，再安装Linux的时候，我们可以设置把Linux的loader复制到boot loader中，把原先windows的覆盖掉，这样才能设置Linux默认启动。

2.2 Linux的GRUB

    Linux的loader使用的是GRUB，我们常说的Linux中的loader就是grub，我认为这种说法是不准确的，我们知道MBR的boot loader是446字节，而grub呢，不仅仅446字节。

    那MBR的boot loader和grub到底是什么关系呢，在这里说明，GRUB是一个启动管理器，和Linux没有强制的关系，当然也可以用GRUB启动Windows。首先我们可以通过rpm -qi grub命令查看grub的版本。

    进入/boot/grub目录下，我们可以看到很多文件，其实Linux的loader为stage1那个文件（如下图，刚好512字节），我们在安装Linux的时候，系统会把stage1文件安装到所在分区的boot sector中，同时默认Linux启动的话，也需要把stage1中的引导代码安装到MBR中的boot loader中。该文件太小，能完成的功能有限，因此Linux的loader只是简单的引导作用。

   MBR完成了主程序的引导后，会把控制权交给GRUB，主引导程序开始加载配置文件了，但是加载这些配置文件之前需要有文件系统的支持，可是现在还没有文件系统呢，在网上查阅资料说的“GRUB内置文件系统访问支持，虽然是极度精简的，但已经具备根据路径读取相应文件的二进制流。换句话说，GRUB在不依赖Linux内核的情况下具有读取配置文件与内核映像的能力”。GRUB的内置文件系统其实是依靠stage1_5那些文件定义的，而且有不同文件系统的stage1_5。我们在安装Linux的时候会把stage1_5相关文件放到0磁道1-62扇区中（一个磁道63个扇区，划分分区是从1磁道开始的，除了MBR外，所以会有62个扇区作为保留扇区），用于定义grub的文件系统。

    而后开始读取stage2开始真正地读取配置文件grub.conf。解析/boot/grub/grub.conf文件

default=0# 默认启动第一个系统内核，即后面的title部分，1代表第二个，依次类推，
timeout=5# 设置系统留给用户选择系统内核的时间为5s。
splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz
# 用户选择内核时候的背景图片文件，这里的hd0,0是第一个硬盘的第一个分区，没有/dev/sdaX的概念
hiddenmenu    # 是否显示选单画面
title CentOS 6 (2.6.32-696.el6.x86_64)    # 第一个选单的名字，可以自定义
    root (hd0,0)    # 内核文件放置的分区
    kernel ... ro root= ... rhgb quiet
    # 内核文件；读取内核文件之后要挂载/目录，只读，root后跟真正的/目录挂载的分区
    # rhgb 表示默认图形显示，把启动过程覆盖掉
    # quit表示系统启动时将模块启动的详细信息屏蔽，只显示模块启动时候成功（ok or failed）
    initrd ...# 内核镜像文件

   

    总之，MBR就是加载内核文件的。

三、启动内核

3.1 加载内核文件

    MBR将内核文件（代码）载入物理内存中执行，内核就是/boot/vmlinuz-2.6.32-696.el6.x86_64，观察该文件，发现这是一个压缩镜像文件。

    控制权转交给内核后，内核重新检测各种硬件信息，（第一次为POST自检）我们前边说了，一个完整的Linux包括内核和内核之上的程序，因此内核还要加载提供这些程序功能的模块，然而这些模块都在根目录的/lib/modules/2.6.32-696.el6.x86_64下（/和/lib/modules/不能挂载不同的分区），这时候内核还没有文件系统的概念，没有文件系统就没办法挂载根目录，想要挂载根目录就需要相应的模块支持，而我们原本的问题就是如何加载模块（先有鸡后有蛋的问题）。

3.2 加载initrd

    /boot/initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img文件就是解决上面问题的，我们来看一下这个文件：

file initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img # 查看该文件类型
cp initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img /app
cd /app
mv initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img.gz
# gzip解压文件必须以.gz后缀
gzip -d initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img.gz
file initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img
# 查看需要借助cpio命令
mkdir init
cd init
cpio -id < /app/initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img
# 解压至/app/init目录下

   

    我们发现解压之后的内容类似于真正/目录下内容，这是因为这是一个最小化的Linux根文件系统。内核就是先把这个文件展开，形成一个虚拟文件系统，内核借虚拟文件系统装载必要的模块，完成后释放该虚拟文件系统并挂载真正的根目录。

    initrd的制作：

mkinitrd /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

dracut /boot/initramfs-$(uname -r).img $(uname -r)

四、启动第一个进程init

4.1 init进程：主要功能是准备软件执行的环境   

    内核完成硬件检测和加载模块后，内核会呼叫第一个进程，就是/sbin/init，至此内核把控制权交给init进程   

    读取初始化配置文件/etc/inittab，决定操作系统的runlevel，/etc/inittab内有这样一句： 

        id:runlevel:action:process 

id	代表设定的项目，没有具体的实际意义
runlevel	执行级别，0-关机、1-单用户、2-没有NFS的多用户、 3-真正的多用户、4-预留、5-Xwindows、6-reboot
action	init的动作行为，initdefault表示要默认启动的runlevel
process	执行动作的指令，一般为脚本文件

4.2 /etc/rc.d/rc.sysinit

    读取/etc/rc.d/rc.sysinit系统初始化脚本，设置主机名，挂载/etc/fstab中的文件系统，修改/etc/sysctl.conf 的内核参数等各项系统环境。

    查看该脚本内容，大致功能如下

        定义主机名，如果不存在则将主机名定义为localhost；

        读取/etc/sysconfig/network文件，设置网络环境；

        挂载内存装置/proc和USB装置/sys，如果USB装置存在，则会加载usb模块并挂载usb文件系统；

        接下来是SELINUX的一些相关设置；

        设定text banner，显示欢迎界面；

        ...

        将开机启动信息存放到/var/log/dmesg中。

4.3 /etc/rc.d/rc

    执行/etc/rc.d/rc脚本，下面是/etc/rc.d/rc脚本中我们关心的代码部分：

# First, run the KILL scripts.
for i in /etc/rc$runlevel.d/K* ; do
# Check if the subsystem is already up.
subsys=${i#/etc/rc$runlevel.d/K??}
[ -f /var/lock/subsys/$subsys -o -f /var/lock/subsys/$subsys.init ] || continue
check_runlevel "$i" || continue
# Bring the subsystem down.
[ -n "$UPSTART" ] && initctl emit --quiet stopping JOB=$subsys
$i stop
[ -n "$UPSTART" ] && initctl emit --quiet stopped JOB=$subsys
done
# Now run the START scripts.
for i in /etc/rc$runlevel.d/S* ; do
# Check if the subsystem is already up.
subsys=${i#/etc/rc$runlevel.d/S??}
[ -f /var/lock/subsys/$subsys ] && continue
[ -f /var/lock/subsys/$subsys.init ] && continue
check_runlevel "$i" || continue

    根据运行级别（0123456）进入相应的/etc/rc.d/rcN.d目录，启动和关闭相关的系统服务。里边存放着一堆以K和S开头的软链接文件，分别代表对应的服务。K开头表示该运行级别下需要把该服务杀死，S开头表示该运行级别下需要把该服务开启。，上诉操作都是由/etc/rc.d/rc脚本来完成的。另外我们还注意都S和K后边的数字，他们的数字代表了读取的顺序，因为有些服务是具有一定的关联性。

    而且每个rcN.d目录内最后都会有一个S99local文件 ，该文件指向 ../rc.local脚本。

4.4 /etc/rc.d/rc.local

    系统根据runlevel执行完/etc/rc.d/rcN.d中的脚本后，调用/etc/rc.d/rc.local脚本

    这时候系统已经完成了各种必要系统服务的启动，假如我们想自定义一些指令要在开机的时候启动，我们就可以把他们放到/etc/rc.d/rc.local内，该文件默认为空。

4.5 启动终端   

    接下来会由/sbin/mingetty指令启动终端，由于系统设置启动tty1-tty6 ，所以会启动6个命令行终端。最终呈现给我们的就是这样一个画面：