Linux操作系统启动流程浅析

启动BIOS程序

　　当电源键按下之后，BIOS（Basic nput Output System）就会由主板上的闪存来运行。BIOS程序会把自己解压缩到系统的内存之中，然后读取CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）内存储的信息（例如系统时间，启动设备顺序等）来对系统进行配置。同时进行自检（POST：Power-On Self Test）。检测系统的硬件是否存在问题，自检通过之后，BIOS会加载第一启动设备的MBR（Master Boot Record：主引导扇区）中的boot loader程序。

　　需要说明的一点是，BIOS加载bootloader是通过硬件的INT 13中断功能来加载的。即，BIOS读取到了磁盘之后，通过INT 13这条通道来读取该磁盘的第一个扇区中的boot loader程序！

　　下面是BIOS程序的几张截图：

　　

　　图1.1：BIOS程序的基本配置界面

　　

　　图1.2：BIOS程序调整设备启动顺序的界面

启动Bootloader程序

　　Linux下面的Bootloader有多种，比如早期默认使用LILO,还有目前主流的grub。下面以目前Linux系统上面主流的grub来说明一下bootloader主要干了哪些事情？

　　Grub启动时会自动读取/boot/grub/grub.conf这个配置文件，然后执行其中的grub命令！图2.1是在centos6.5上面的一个grub.conf配置文件！Grub命令为红线框内的部分，它主要分为三个部分：

　　

　　图2.1

　　1.设置启动的硬盘分区（root命令）,传递给这个命令的参数是分区，这个命令会去分析并挂载这个分区，然后读取出其中的/boot文件夹下面的内容。比如图2.2所示，执行了命令之后，就能够读取出boot文件夹下面的内容了！

　　

　　图2.2

　　2.选择引导的内核文件，并设置好内核参数（kernel命令）

　　3.加载initrd文件，设置虚拟文件系统。（initrd命令）

　　需要特别说明的是这个initrd文件，这个其实是一个虚拟文件系统（Initial RAM Disk）。在Linux系统中，有些磁盘的驱动程序并没有编译在内核中，而是被打包成了模块存放在了/lib/modules目录下面，而当内核启动了之后就需要加载磁盘的驱动程序。可是/lib/modules还没有被挂载，这时就产生矛盾了！为了解决这个矛盾，就产生了虚拟文件系统的这个概念。我们可以讲initrd文件加载到内存中（为了担心影响到磁盘上的文件系统，此时根目录的挂载是以只读的方式来挂载的），虚拟出一个根文件系统出来，然后读取虚拟根文件系统中的磁盘驱动程序，然后再从新挂载真正的根目录。

　　如图2.3所示，这些文件就是initrd文件所解压出来的内容。

　　 

　　图2.3

加载系统内核与硬件驱动程序

　　Grub程序运行完上面三个命令之后，内核文件（vmlinuz-$(uname -r)）就会被解压到了内存之中开始运行了！此时，内核会自己再来从新检测一遍硬件并加载驱动程序！检查完成之后，内核就会调用Init程序，创建系统的第一个进程！

Init进程进行系统的初始化

　　Init程序启动之后，会首先去读取/etc/inittab这个文件来获取操作系统的Run Level（运行级别）。什么是运行级别呢，Linux下面系统根据有无网络和X Window来将

　　系统分为了七个运行级别。它们的内容如图3.1所示：

　　

　　图3.1

　　这是在Linux的/etc/inittab文件中关于这其中模式的说明。

　　模式0代表了关机状态，模式1代表了单用户模式（维护模式），模式2代表了多用户的命令行模式，但是并没有网络。模式3代表了包含网络的多用户的命令行模式。模式4是系统保留的功能。模式5代表了图形界面模式。模式6代表了系统重启的状态。

　　对应于每个运行级别，/etc目录下面分别设置的不同的目录，如图3.2所示：

　　

　　图3.2

　　系统运行某个级别，就会去运行相应目录（/etc/rc[运行级别].d）内的脚本文件。这里那个rc代表的是run command，即开始时要运行的命令，那个.d代表directory，代表的是目录的意思！

　　Inittab文件中出了能够设置系统的启动级别外，还有一些其他的功能，如图3.3所示：

　　

　　图3.3

　　这个是在CentOS6.5上面inittab文件中关于其他配置的说明。

　　总之，Init程序在获取完了系统的运行等级之后，会继续执行下面这几个功能：

　　对系统进行初始化（执行/etc/init/rcS.conf这个脚本文件或者通过/etc/init/rc.conf来运行一些自定义的运行等级程序）

　　加载系统服务项（运行/etc/rc[运行等级].d/中的脚本文件）

　　设置好Ctrl + Alt + Del键的功能

　　运行mingetty来设置好六个相应的终端机

运行终端机并接受用户登陆

　　当系统的初始化内容完成之后，系统就会调用mingetty函数，来设置终端机，并等待用户登陆！它的具体流程是这样的，init进程先fork一个子进程，然后这个子进程来exec一个getty程序。Getty程序会试着去打开一个终端，如果打开成功了，那么就会去屏幕上显示login字样，当用户键入了用户名之后，getty程序的任务就完成了！然后它在以exec的方式来调用login程序。Login程序会去读取用户名和用户密码，然后读取shadow文件来检验用户的密码是否正确。如果密码不正确，则login通过调用exit 1来退出，此时init进程重新fork来重复上述步骤。

　　如果密码验证成功的话，那么login程序就会设置一些系统运行的环境（比如设置工作目录，设置uid和gid，用户名等）。设置好了这些系统环境之后，login程序就会通过exec来调用shell程序，shell程序执行并读取一些启动脚本（例如/etc/bashrc等）。读取完这些启动脚本之后，shell就打印出提示符，然后等待用户键入命令！此时我们的系统就正常启动了！