Linux系统开机启动过程分析

      开机过程指的是从打开计算机电源直到LINUX显示用户登录画面的全过程。分析LINUX开机过程也是深入了解LINUX核心工作原理的一个很好的途径。

　　启动第一步--加载BIOS

　　当你打开计算机电源，计算机会首先加载BIOS信息，BIOS信息是如此的重要，以至于计算机必须在最开始就找到它。这是因为BIOS中包含了 CPU的相关信息、设备启动顺序信息、硬盘信息、内存信息、时钟信息、PnP特性等等。在此之后，计算机心里就有谱了，知道应该去读取哪个硬件设备了。在 BIOS将系统的控制权交给硬盘第一个扇区之后，就开始由Linux来控制系统了。

　　启动第二步--读取MBR

　　硬盘上第0磁道第一个扇区被称为MBR，也就是Master Boot Record，即主引导记录，它的大小是512字节，可里面却存放了预启动信息、分区表信息。可分为两部分：第一部分为引导(PRE-BOOT)区，占了 446个字节;第二部分为分区表(PARTITION PABLE)，共有66个字节，记录硬盘的分区信息。预引导区的作用之一是找到标记为活动(ACTIVE)的分区，并将活动分区的引导区读入内存。

　　系统找到BIOS所指定的硬盘的MBR后，就会将其复制到0×7c00地址所在的物理内存中。其实被复制到物理内存的内容就是Boot Loader，而具体到你的电脑，那就是lilo或者grub了。

　　启动第三步--Boot Loader

　　Boot Loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状 态，以便为最终调用操作系统内核做好一切准备。通常，BootL oade:是严重地依赖于硬件而实现的，不同体系结构的系统存在着不同的Boot Loader。

　　Linux的引导扇区内容是采用汇编语言编写的程序，其源代码在arch/i386/boot中(不同体系的CPU有其各自的boot目录)，有4个程序文件：

　　◎bootsect.S，引导扇区的主程序，汇编后的代码不超过512字节，即一个扇区的 大 小

　　◎setup.S， 引导辅助程序

　　◎edd.S,辅助程序的一部分，用于支持BIOS增强磁盘设备服务

　　◎video.S,辅助程序的另一部分，用于引导时的屏幕显示

　　Boot Loader有若干种，其中Grub、Lilo和spfdisk是常见的Loader，这里以Grub为例来讲解吧。

　　系统读取内存中的grub配置信息(一般为menu.lst或grub.lst)，并依照此配置信息来启动不同的操作系统。

　　启动第四步--加载内核

　　根据grub设定的内核映像所在路径，系统读取内存映像，并进行解压缩操作。此时，屏幕一般会输出“Uncompressing Linux”的提示。当解压缩内核完成后，屏幕输出“OK, booting the kernel”。

　　系统将解压后的内核放置在内存之中，并调用start_kernel()函数来启动一系列的初始化函数并初始化各种设备，完成Linux核心环境的建立。至此，Linux内核已经建立起来了，基于Linux的程序应该可以正常运行了。

　　start_kenrel()定义在init/main.c中，它就类似于一般可执行程序中的main()函数，系统在此之前所做的仅仅是一些 能让内核程序最低限度执行的初始化操作，真正的内核初始化过程是从这里才开始。函数start_kerenl()将会调用一系列的初始化函数，用来完成内 核本身的各方面设置，目的是最终建立起基本完整的Linux核心环境。

　　start_kernel()中主要执行了以下操作：

　　(1) 在屏幕上打印出当前的内核版本信息。

　　(2) 执行setup_arch()，对系统结构进行设置。

　　(3)执行sched_init()，对系统的调度机制进行初始化。先是对每个可用CPU上的runqueque进行初始化;然后初始化0号进 程(其task struct和系统空M堆栈在startup_32()中己经被分配)为系统idle进程，即系统空闲时占据CPU的进程。

　　(4)执行parse_early_param()和parsees_args()解析系统启动参数。

　　(5)执行trap_in itQ，先设置了系统中断向量表。0-19号的陷阱门用于CPU异常处理;然后初始化系统调用向量;最后调用cpu_init()完善对CPU的初始化， 用于支持进程调度机制，包括设定标志位寄存器、任务寄存器、初始化程序调试相关寄存器等等。

　　(6)执行rcu_init()，初始化系统中的Read-Copy Update互斥机制。

　　(7)执行init_IRQ()函数，初始化用于外设的中断，完成对IDT的最终初始化过程。

　　(8)执行init_timers()， softirq_init()和time_init()函数，分别初始系统的定时器机制，软中断机制以及系统日期和时间。

　　(9)执行mem_init()函数，初始化物理内存页面的page数据结构描述符，完成对物理内存管理机制的创建。

　　(10)执行kmem_cache_init()，完成对通用slab缓冲区管理机制的初始化工作。

　　(11)执行fork_init()，计算出当前系统的物理内存容量能够允许创建的进程(线程)数量。

　　(12)执行proc_caches_init() , bufer_init()， unnamed_dev_init() ,vfs_caches_init()， signals_init()等函数对各种管理机制建立起专用的slab缓冲区队列。

　　(13 )执行proc_root_init()Wl数，对虚拟文件系统/proc进行初始化。

　　在 start_kenrel()的结尾，内核通过kenrel_thread()创建出第一个系统内核线程(即1号进程)，该线程执行的是内核中的 init()函数，负责的是下一阶段的启动任务。最后调用cpues_idle()函数：进入了系统主循环体口默认将一直执行 default_idle()函数中的指令，即CPU的halt指令，直到就绪队列中存在其他进程需要被调度时才会转向执行其他函数。此时，系统中唯一存 在就绪状态的进程就是由kerne_hread()创建的init进程(内核线程)，所以内核并不进入default_idle()函数，而是转向 init()函数继续启动过程。

　　启动第五步--用户层init依据inittab文件来设定运行等级

　　内核被加载后，第一个运行的程序便是/sbin/init，该文件会读取/etc/inittab文件，并依据此文件来进行初始化工作。

　　其实/etc/inittab文件最主要的作用就是设定Linux的运行等级，其设定形式是“：id:5:initdefault:”，这就表明Linux需要运行在等级5上。Linux的运行等级设定如下：

　　0：关机

　　1：单用户模式

　　2：无网络支持的多用户模式

　　3：有网络支持的多用户模式

　　4：保留，未使用

　　5：有网络支持有X-Window支持的多用户模式

　　6：重新引导系统，即重启

　　启动第六步--init进程执行rc.sysinit

　　在设定了运行等级后，Linux系统执行的第一个用户层文件就是/etc/rc.d/rc.sysinit脚本程序，它做的工作非常多，包括设 定PATH、设定网络配置(/etc/sysconfig/network)、启动swap分区、设定/proc等等。如果你有兴趣，可以到/etc /rc.d中查看一下rc.sysinit文件。

　　线程init的最终完成状态是能够使得一般的用户程序可以正常地被执行，从而真正完成可供应用程序运行的系统环境。它主要进行的操作有：

　　(1) 执行函数do_basic_setup()，它会对外部设备进行全面地初始化。

　　(2) 构建系统的虚拟文件系统目录树，挂接系统中作为根目录的设备(其具体的文 件系统已经在上一步骤中注册)。

　　(3) 打开设备/dev/console，并通过函数sys_dup()打开的连接复制两次，使得文件号0,1 ,2 全部指向控制台。这三个文件连接就是通常所说的“标准输入”stdin,“标准输出”stdout和“标准出错信息”stderr这三个标准I/O通道。

　　(4) 准备好以上一切之后，系统开始进入用户层的初始化阶段。内核通过系统调用execve()加载执T子相应的用户层初始化程序，依次尝试加载程 序"/sbin/initl"," /etc/init"," /bin/init'，和“/bin/sh。只要其中有一个程序加载获得成功，那么系统就将开始用户层的初始化，而不会再回到init()函数段中。至 此，init()函数结束，Linux内核的引导 部分也到此结束。

　　启动第七步--启动内核模块

　　具体是依据/etc/modules.conf文件或/etc/modules.d目录下的文件来装载内核模块。

　　启动第八步--执行不同运行级别的脚本程序

　　根据运行级别的不同，系统会运行rc0.d到rc6.d中的相应的脚本程序，来完成相应的初始化工作和启动相应的服务。

　　启动第九步--执行/etc/rc.d/rc.local

　　你如果打开了此文件，里面有一句话，读过之后，你就会对此命令的作用一目了然：

　　# This script will be executed *after* all the other init scripts.

　　# You can put your own initialization stuff in here if you don’t

　　# want to do the full Sys V style init stuff.

　　rc.local就是在一切初始化工作后，Linux留给用户进行个性化的地方。你可以把你想设置和启动的东西放到这里。

　　启动第十步--执行/bin/login程序，进入登录状态

　　此时，系统已经进入到了等待用户输入username和password的时候了，你已经可以用自己的帐号登入系统了。

　　1: 启动电源后，主机第一步先做的就是查询BIOS(全称：basic input/output system 基本输入输出系统)信息。了解整个系统的硬件状态，如CPU，内存，显卡，网卡等。嗯，这一步windows算和它是一家。不分彼此。

　　2: 接下来，就是主机读取MBR(硬盘的第一个扇区)里的boot loader了。这个可是重点哦，据说troubleshooting里就会考这点，给个坏了的loader，叫你修正。windows不支持linux 的分区格式。所以，用windows的boot。ini是查不到linux的系统的。一般我装系统都是先装 windows再装linux，然后用grub来做boot loader。两个字：省心!因为linux不像windows那么小气。grub可是支持windows分区格式的哦。

　　3: 接上一步，主机读取boot loader后，会读取里面的信息，知道谁跟谁是待在哪，假如主机想进入linux系统，读取到linux核心是在/boot文件目录中后，将此核心加载到内存中。开始了接下来的分析启动之旅。

　　4: OK，第一个运行程序是谁？就是/sbin/init程序。不信，就用top程序看下，是不是PID为1的就是这个东东，它，可是万物之祖啊，我简称它是女娲娘娘(不喜欢亚当夏娃)。

　　· 5: init首先查找启动等级(run-level)。因为启动等级不同，其运行脚本(也就是服务)会不同。默认的等级有以下几项：

　　0 - halt (系统直接关机)

　　1 - single user mode (单人模式，用于系统维护时使用)

　　2 - Multi-user， without NFS (类似3模式，不过少了NFS服务)

　　3 - Full multi-user mode (完整模式，不过，是文本模式)

　　4 - unused (系统保留功能)

　　5 - X11 (与3模式类似，不过，是X终端显示)

　　6 - reboot (重新开机)

　　(不要选择0或4，6 否则，进步了系统的)

　　· 6: OK。系统知道自己的启动等级后，接下来，不是去启动服务，而是，先设置好主机运行环境。读取的文件是/etc/rc。d/rc。sysinit文件。那究竟要设置哪些环境呢？

　　· 设置网络环境/etc/sysconfig/network，如主机名，网关，IP，DNS等。

　　· 挂载/proc。此文件是个特殊文件，大小为0，因为它是在内存当中。里面东东最好别删。

　　· 根据内核在开机时的结果/proc/sys/kernel/modprobe。开始进行周边设备的侦测。

　　· 载入用户自定义的模块/etc/sysconfig/modules/*。modules

　　· 读取/etc/sysctl。conf文件对内核进行设定。

　　· 设定时间，终端字体，硬盘LVM或RAID功能，以fsck进行磁盘检测。

　　· 将开机状况记录到/var/log/dmesg中。(可以用命令dmesg查看结果)

　　· 7: OK，接下来，就是启动系统服务了，不同的run-level会有不同的服务启动。到/etc/rc。d目录中，不同的level会有不同的目录。如启动 3模式，会有个rc3。d目录，里面就保存着服务。其中，S(start)开头的表明开机启动，K(kill)开头的表明开机不启动。数字表示启动顺序。 数字越小，启动越早。

　　注意，他们都是连接到etc/rc。d/init。d/目录中的相关文件。所以，想手工启动某一服务，可以用"/etc/rc。d/init。 d/某个服务 start"启动哦。相反，我们也可以把某个服务ln(链接命令)到不同run-level的目录中。记得打上S或者K+数字哦。

　　· 8: 读取服务后，主机会读取/etc/rc。d/rc。local文件。所以，如果需要什么开机启动的话，可以写个脚本或命令到这里面来。就不用像上面那么麻烦。以后删除也方便。

　　OK，经过一番长途跋涉后，系统终于可以安心的开启shell了。