Linux系统启动流程

Posted 2020-11-30

CentOS6系统启动流程

??操作系统（OS）也是一个程序，如果在硬件通电后让这个特殊的程序运行起来，以及这个特殊的程序在启动过程中做了什么，如下图：

??从图中可知，系统启动（不仅仅是Linux系统）大致可分为几个主要过程：硬件初始化-->找到并加载操作系统的内核-->内核初始化-->操作系统运行环境初始化-->登录初始化-->登录成功后的用户初始化（包含图形界面初始化或shell的初始化）-->最终用户成功进入
操作系统并开始使用操作系统。

下面以CentOS6系统进入命令行为例简单描述一下上面的几个主要过程。

1.按下电源通电。主板通电后，CPU开始工作，它执行固定地址处的一段非常小的硬编码程序：Bios，于是BIOS掌握了CPU控制权。

2.BIOS程序会进行硬件的上电自检（Power-On Self-Test,POST）以确认有哪些硬件以及这些硬件是否故障。对于我们要探索的操作系统启动流程来说，最重要的是会根据检测到磁盘顺序（除了磁盘，也可以是其它硬件设备，比如U盘、光盘、网卡等），按顺序找到这些磁盘上正确的MBR，于是MBR开始掌握CPU控制权。

3.MBR是引导系统内核启动的第一段代码，它的位置固定处于磁盘的第一个扇区位置处（如果不固定，就不知道怎么找到MBR）。引导内核启动的代码段称为Boot Loader，除MBR外，还需要通过其它引导系统的代码段来一步步引导启动内核，所以要引导一个内核的启动，需要跳转并执行多段BootLoader。根据使用的启动管理工具（如LILIO、GRUB、GRUB2等）不同，这一段段的引导代码段称呼和存放位置都不一样，但第一个引导内核启动的代码段一定称为MBR，也一定处于磁盘的第一个扇区位置，所以MBR才称为主引导记录（Master Boot Record）。

4.当找到内核映像后，将内核映像装载到内存中并解压（如果被压缩的话），内核开始掌握CPU控制权并运行起来，期间内核会做很多工作，包括内核的初始化、挂载真正的根目录并从临时根目录切换到真正的根目录、启动一些重要的进程，例如idle、进程调度器、init进程等。然后开始执行用户空间的第一个进程：init进程，于是init进程掌握了CPU的控制权，也从此开始进入用户空间。

5.init进程开始运行后就表示操作系统真正已经启动成功了，但它仍然需要做系统级别的初始化，比如设置主机名、设置硬件参数、加载硬件驱动、挂载/etc/fstab中的一些文件系统等等。系统级别的运行环境一切初始化完成后，于是提供用户登录的界面，即init启动getty类的进程。

6.getty类的进程启动后，将打开一个终端，并提示用户输入用户名，然后启动一个login进程让用户输入密码并验证密码，密码验证通过后再审核用户是否有权登录，如果允许登录，将根据/etc/passwd中的配置启动该用户对应的shell进程，例如bash进程。

7.shell进程启动后读取该shell对应的配置文件，并按照登录式、交互式的shell运行模式进行初始化，初始化完成后将进入登录式、交互式的shell，也就是命令行下。

8.至此，用户可以通过shell命令行来使用操作系统。

CentOS7系统启动流程

CentOS7的启动与CentOS6启动不同之处有两大点：
1）内核引导阶段，CentOS7默认使用grub2引导，而CentOS6默认使用传统的grub引导。
2）系统环境初始化和后面的过程。内核初始化完成后，启动PID=1的过程，而CentOS7中这个进程是systemd，它和CentOS6中的init进程的初始化方式大不相同。

systemd特性：
1）系统初始化时实现服务并行启动；
2）按需启动守护进程；
3）自动化的服务依赖关系管理；
4）同时采用socket式与D-Bus总线式激活服务；
5）系统状态快照。

以下简述CentOS7的启动流程，详细内容参考：man bootup帮助手册。
1）UEFI或BIOS初始化，运行POST开机自检；
2）选择启动设备；
3）引导内核，做部分内核初始化工作，加载initramfs；
4）启动systemd进程，systemd进程此时工作在initramfs环境下；
5）systemd执行initrd.target所有单元，包括挂载/etc/fstab、从ramdisk的虚根文件系统切换到真正的根文件系统；
6）systemd执行默认target配置，其配置文件为/etc/systemd/system/default.target；
7）systemd执行sysinit.target初始化系统及basic.target准备操作系统；
8）systemd启动multi-user.target下的本机与服务器服务；
9）systemd执行multi-user.target下的/etc/rc.d/rc.local；
10）systemd执行multi-user.target下的getty.target让用户登录；
11）启动shell进程并初始化，最终进入命令行；

??上面的过程中最需要关注的便是大大提前了systemd的工作：在内核初始化阶段就参与了剩下的工作。等到systemd完成了根文件系统的切换后，将正式进入操作系统的初始化过程，这时将进入步骤6），即根据默认target配置文件default.targe选择默认的“运行级别”。