Linux启动之旅

引言

某出租房内，某台电脑的电源键被按下，于是开启了一段Linux启动之旅...

BIOS

系统启动，首先进入BIOS。

　　● BIOS 为 Base Input/Output System(基本输入输出系统）的简写

　　● 其执行POST(Power on self test，上电自检），在发现问题时发出告警声

　　● 在启动设备(cd-rom，网络，硬盘等)中搜寻boot loader

　　● 将boot loader stage1程序加载进内存，并执行

　　● 之后BIOS将“控制权”交给boot loader stage1

MBR

一般情况下，系统从硬盘启动，硬盘中存放boot loader stage1程序的扇区被称为MBR。

　　● MBR 为 Master boot record (主引导扇区)的简称

　　● 它是启动硬盘(/dev/sda)的首个扇区

　　● 该512字节的扇区用于存放三个部分内容：

　　　　1) boot loader stage1程序 446字节 　　

　　　　2) 硬盘分区表 64字节 　　

　　　　3) 该扇区的有效标示 2字节

我们可以使用dd命令获取该扇区内容

linux-q62c:/home/lx/test # dd if=/dev/sda1 of=sector bs=512 count=1
1+0 records in
1+0 records out
512 bytes (512 B) copied, 4.9448e-05 s, 10.4 MB/s

然后使用strings命令进行读取：

linux-q62c:/home/lx/test # strings sector
ZRrK
D|f1
GRUB
Geom
Hard Disk
Read
Error

　　● boot loader stage1程序被执行之后，我们开始了GRUB之旅

GRUB

GRUB是主流的boot loader，GRUB分成多个阶段运行。boot loader stage1是GRUB的第一阶段，并不是其完全体。

　　● stage1的主要工作是加载stage1.5

　　● stage1.5加载kernel所在盘的文件系统，之后加载stage2

在/boot/grub目录下，我们可以看到stage1.5阶段可加载的文件系统：

linux-q62c:~ # ls /boot/grub/*stage1_5
/boot/grub/e2fs_stage1_5 /boot/grub/minix_stage1_5
/boot/grub/fat_stage1_5 /boot/grub/reiserfs_stage1_5
/boot/grub/ffs_stage1_5 /boot/grub/ufs2_stage1_5
/boot/grub/iso9660_stage1_5 /boot/grub/vstafs_stage1_5
/boot/grub/jfs_stage1_5 /boot/grub/xfs_stage1_5

　　● 根据/boot/grub/menu.lst配置文件，stage2阶段显示可进入的系统列表

default 0
timeout 8
gfxmenu (hd0,0)/boot/message

title SUSE Linux Enterprise Desktop 11 SP1 - 2.6.32.12-0.7
root (hd0,0)
kernel /boot/vmlinuz-2.6.32.12-0.7-default root=/dev/disk/by-id/ata-Hitachi_HTS541616J9SA00_SB3441GRHSXZDE-part1 resume=/dev/disk/by-id/ata-Hitachi_HTS541616J9SA00_SB3441GRHSXZDE-part5 splash=silent showopts
initrd /boot/initrd-2.6.32.12-0.7-default

以上menu.lst文件中，列出了kernel和initrd镜像的路径

　　● GRUB的最后一步就是加载kernel和initrd镜像

Kernel/initrd

接下来kernel镜像被解压并执行，kernel完成初始化硬件、进程调度、内存管理等任务。

　　● kernel对硬件进行再次检测

　　● 加载必要的模块和驱动程序，其他驱动程序和模块组建(如USB、SATA等设备模块)由后续initrd提供

因其他模块由initrd提供，kernel得以成功“瘦身”：

linux-q62c:~ # ll /boot/vmlinuz-2.6.32.12-0.7-default
-rw-r--r-- 1 root root 3231872 May 20 2010 /boot/vmlinuz-2.6.32.12-0.7-default

linux-q62c:~ # ll /boot/initrd-2.6.32.12-0.7-default
-rw-r--r-- 1 root root 5847144 Mar 8 23:47 /boot/initrd-2.6.32.12-0.7-default

　　● 加载initrd(initial RAM disk，虚拟文件系统)，在内存中展开得到虚拟根分区

此时initrd被展开，真正的磁盘还没有被挂载，通过以下命令可以手工展开initrd：

linux-q62c:/boot # mkdir initrd.d
linux-q62c:/boot # cd initrd.d/
linux-q62c:/boot/initrd.d # cp ../initrd-2.6.32.12-0.7-default initrd.gz
linux-q62c:/boot/initrd.d # gzip -d initrd.gz
linux-q62c:/boot/initrd.d # cpio -i < initrd

展开initrd后，我们可以看到其内容与真正根目录所包含的内容大致相同：

linux-q62c:/boot/initrd.d # ls
bin dev lib root tmp
boot etc lib64 run_all.sh usr
bootsplash init mkinitrd.config sbin var
config initrd-2.6.32.12-0.7-default proc sys

　　● 执行initrd中的init脚本，完成加载模块、检查磁盘(fsck)等任务

　　● 挂载真正的根文件系统，之后执行/sbin/init程序

/sbin/init

/sbin/init是Linux启动后第一个用户态下的进程(PID为1)，根据/etc/inittab配置文件，/sbin/init完成系统软件环境的设定，比如主机名、网络设定以及其他启动服务。

　　● 进行系统初始化

　　● 根据开机运行级别，启动相应级别的服务

如下/etc/inittab文件中，默认的运行级别为5：

# The default runlevel is defined here
id:5:initdefault:

l0:0:wait:/etc/init.d/rc 0
l1:1:wait:/etc/init.d/rc 1
l2:2:wait:/etc/init.d/rc 2
l3:3:wait:/etc/init.d/rc 3
#l4:4:wait:/etc/init.d/rc 4
l5:5:wait:/etc/init.d/rc 5
l6:6:wait:/etc/init.d/rc 6

之后根据该级别，调用/etc/init.d/rc脚本，启动/etc/init.d/rc5.d/目录下的服务：

linux-q62c:~ # ll /etc/init.d/rc5.d/
……
lrwxrwxrwx 1 root root 9 Mar 8 23:29 K06syslog -> ../syslog
lrwxrwxrwx 1 root root 14 Mar 8 23:29 K07earlysyslog -> ../earlysyslog
lrwxrwxrwx 1 root root 10 Mar 8 23:29 K07network -> ../network
lrwxrwxrwx 1 root root 21 Mar 8 23:51 K08SuSEfirewall2_init -> ../SuSEfirewall2_init
lrwxrwxrwx 1 root root 7 Mar 8 23:29 K08dbus -> ../dbus
lrwxrwxrwx 1 root root 21 Mar 8 23:51 S01SuSEfirewall2_init -> ../SuSEfirewall2_init
lrwxrwxrwx 1 root root 8 Mar 8 23:14 S01acpid -> ../acpid
lrwxrwxrwx 1 root root 7 Mar 8 23:21 S01dbus -> ../dbus
……

以上所列文件中，以"S"开头的项为开机时启动的服务，以"K"开头的项为关机或重启时关闭的服务项。

　　● 根据运行级别，执行相应getty，进入登陆界面

# getty-programs for the normal runlevels
# :::
# The "id" field MUST be the same as the last
# characters of the device (after "tty").
1:2345:respawn:/sbin/mingetty --noclear 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

至此，系统启动过程完成，界面提示输入用户名和密码。

小结

Linux启动过程如下：

BIOS －－－> MBR －－－> GRUB －－－> kernel/initrd －－－> init

在GRUB阶段，可以通过命令与系统交互，自行加载kernel和initrd，亦可修改kernel加载参数；

在initrd阶段，我们可以加载自定义的initrd文件，使其加载更多模块，亦可在此阶段拉起bash，进行修复文件系统、修改root密码等工作；

我们还可以修改/etc/inittab等启动配置文件，自行设定启动环境、按需要增删启动服务项；

总之，Linux的启动过程可以被灵活的定制。是否已经跃跃欲试了？尝试一下吧，Just for fun!

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本文基于Suse11sp1(x86_64)，该发行版可从下载。

linux-q62c:~ # cat /etc/SuSE-release;uname -r
SUSE Linux Enterprise Desktop 11 (x86_64)
VERSION = 11
PATCHLEVEL = 1
2.6.32.12-0.7-default