經(jīng)過(guò)對(duì) Linux 系統(tǒng)有了一定了解和熟悉后，想對(duì)其更深層次的東西做進(jìn)一步探究。這當(dāng)中就包括系統(tǒng)的啟動(dòng)流程、文件系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、基于動(dòng)態(tài)庫(kù)和靜態(tài)庫(kù)的程序在執(zhí)行時(shí)的異同、協(xié)議棧的架構(gòu)和原理、驅(qū)動(dòng)程序的機(jī)制等等。

本人在綜合了現(xiàn)有網(wǎng)上大家智慧的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì) Linux 2.6.32 的內(nèi)核代碼的研讀，基于CentOS 6.0系統(tǒng)對(duì)Linux的啟動(dòng)流程做了些分析。由于才疏學(xué)淺，知識(shí)所限，有些地方分析不妥之處還請(qǐng)各位高手不吝賜教。

OK，我們言歸正傳。對(duì)于一臺(tái)安裝了Linux系統(tǒng)的主機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)用戶按下開機(jī)按鈕時(shí)，一共要經(jīng)歷以下幾個(gè)過(guò)程，如圖：

其中，每個(gè)過(guò)程都執(zhí)行了自己該做的初始化部分的事情，有些過(guò)程又可分為好幾個(gè)子過(guò)程。接下來(lái)，我們就對(duì)每個(gè)階段做一個(gè)詳細(xì)分析和講解。

BIOS自檢

稍有計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的人都應(yīng)該聽過(guò)BIOS(Basic Input / Output System)，又稱基本輸入輸出系統(tǒng)，可以視為是一個(gè)永久地記錄在ROM中的一個(gè)軟件，是操作系統(tǒng)輸入輸出管理系統(tǒng)的一部分。早期的BIOS芯片確實(shí)是”只讀”的，里面的內(nèi)容是用一種燒錄器寫入的，一旦寫入就不能更改，除非更換芯片?，F(xiàn)在的主機(jī)板都使用一種叫Flash EPROM的芯片來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)BIOS，里面的內(nèi)容可通過(guò)使用主板廠商提供的擦寫程序擦除后重新寫入，這樣就給用戶升級(jí)BIOS提供了極大的方便。

BIOS的功能由兩部分組成，分別是POST碼和Runtime服務(wù)。POST階段完成后它將從存儲(chǔ)器中被清除，而Runtime服務(wù)會(huì)被一直保留，用于目標(biāo)操作系統(tǒng)的啟動(dòng)。BIOS兩個(gè)階段所做的詳細(xì)工作如下：

步驟1：上電自檢POST(Power-on self test)，主要負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)外圍關(guān)鍵設(shè)備（如：CPU、內(nèi)存、顯卡、I/O、鍵盤鼠標(biāo)等）是否正常。例如，最常見的是內(nèi)存松動(dòng)的情況，BIOS自檢階段會(huì)報(bào)錯(cuò)，系統(tǒng)就無(wú)法啟動(dòng)起來(lái)；

步驟2：步驟1成功后，便會(huì)執(zhí)行一段小程序用來(lái)枚舉本地設(shè)備并對(duì)其初始化。這一步主要是根據(jù)我們?cè)贐IOS中設(shè)置的系統(tǒng)啟動(dòng)順序來(lái)搜索用于啟動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器，如硬盤、光盤、U盤、軟盤和網(wǎng)絡(luò)等。我們以硬盤啟動(dòng)為例，BIOS此時(shí)去讀取硬盤驅(qū)動(dòng)器的第一個(gè)扇區(qū)(MBR，512字節(jié))，然后執(zhí)行里面的代碼。實(shí)際上這里BIOS并不關(guān)心啟動(dòng)設(shè)備第一個(gè)扇區(qū)中是什么內(nèi)容，它只是負(fù)責(zé)讀取該扇區(qū)內(nèi)容、并執(zhí)行。

至此，BIOS的任務(wù)就完成了，此后將系統(tǒng)啟動(dòng)的控制權(quán)移交到MBR部分的代碼。

PS: 在個(gè)人電腦中，Linux的啟動(dòng)是從0xFFFF0地址開始的。

系統(tǒng)引導(dǎo)

我們首先來(lái)了解一下MBR，它是Master Boot Record的縮寫。硬盤的0柱面、0磁頭、1扇區(qū)稱為主引導(dǎo)扇區(qū)。它由三個(gè)部分組成，主引導(dǎo)程序(Bootloader)、 硬盤分區(qū)表DPT（Disk Partition table）和硬盤有效標(biāo)志（55AA），其結(jié)構(gòu)圖如下所示：

磁盤分區(qū)表包含以下三部分：

1）、Partition ID （5：延申 82：Swap 83：Linux 8e：LVM fd：RAID）

2）、Partition起始磁柱

3）、Partition的磁柱數(shù)量

通常情況下，諸如lilo、grub這些常見的引導(dǎo)程序都直接安裝在MBR中。我們以grub為例來(lái)分析這個(gè)引導(dǎo)過(guò)程。

grub引導(dǎo)也分為兩個(gè)階段stage1階段和stage2階段(有些較新的grub又定義了stage1.5階段)。

1)、stage1：stage1是直接被寫入到MBR中去的，這樣機(jī)器一啟動(dòng)檢測(cè)完硬件后，就將控制權(quán)交給了GRUB的代碼。也就是上圖所看到的前446個(gè)字節(jié)空間中存放的是stage1的代碼。BIOS將stage1載入內(nèi)存中0x7c00處并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。stage1（/stage1/start.S）的任務(wù)非常單純，僅僅是將硬盤0頭0道2扇區(qū)讀入內(nèi)存。而0頭0道2扇區(qū)內(nèi)容是源代碼中的/stage2/start.S，編譯后512字節(jié)，它是stage2或者stage1_5的入口。而此時(shí)，stage1是沒有識(shí)別文件系統(tǒng)的能力的。如果感覺腦子有些暈了，那么下面的過(guò)程就直接跳過(guò)，去看stage2吧！

【外傳】定位硬盤的0頭0道2扇區(qū)的過(guò)程：

BIOS將stage1載入內(nèi)存0x7c00處并執(zhí)行，然后調(diào)用BIOS INIT13中斷，將硬盤0頭0道2扇區(qū)內(nèi)容載入內(nèi)存0x7000處，然后調(diào)用copy_buffer將其轉(zhuǎn)移到內(nèi)存0x8000處。在定位0頭0道2扇區(qū)時(shí)通常有兩種尋址方式：LBA和CHS。如果你是刨根問底兒型的愛好者，那么此時(shí)去找谷哥打聽打聽這兩種方式的來(lái)龍去脈吧。

2)、stage2：嚴(yán)格來(lái)說(shuō)這里還應(yīng)該再區(qū)分個(gè)stage1.5的，就一并把stage1.5放在這里一起介紹了，免得大家看得心里亂哄哄的。好的，我們繼續(xù)說(shuō)0頭0到2扇區(qū)的/stage2/start.S文件，當(dāng)它的內(nèi)容被讀入到內(nèi)存之后，它的主要作用就是負(fù)責(zé)將stage2或stage1.5從硬盤讀到內(nèi)存中。如果是stage2，它將被載入到0x820處；如果是stage1.5，它將被載入到0x2200處。這里的stage2或者stage1_5不是/boot分區(qū)/boot/grub目錄下的文件，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候grub還沒有能力識(shí)別任何文件系統(tǒng)。

如果start.S加載stage1.5：stage1.5它存放在硬盤0頭0道3扇區(qū)向后的位置，stage1_5作為stage1和stage2中間的橋梁，stage1_5有識(shí)別文件系統(tǒng)的能力，此后grub才有能力去訪問/boot分區(qū)/boot/grub目錄下的 stage2文件，將stage2載入內(nèi)存并執(zhí)行。

如果start.S加載stage2：同樣，這個(gè)stage2也不是/boot分區(qū)/boot/grub目錄下的stage2，這個(gè)時(shí)候start.S讀取的是存放在/boot分區(qū)Boot Sector的stage2。這種情況下就有一個(gè)限制：因?yàn)閟tart.S通過(guò)BIOS中斷方式直接對(duì)硬盤尋址（而非通過(guò)訪問具體的文件系統(tǒng)），其尋址范圍有限，限制在8GB以內(nèi)。因此這種情況需要將/boot分區(qū)分在硬盤8GB尋址空間之前。

假如是情形2，我們將/boot/grub目錄下的內(nèi)容清空，依然能成功啟動(dòng)grub；假如是情形1，將/boot/grub目錄下stage2刪除后，則系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中g(shù)rub會(huì)啟動(dòng)失敗。

啟動(dòng)內(nèi)核

當(dāng)stage2被載入內(nèi)存執(zhí)行時(shí)，它首先會(huì)去解析grub的配置文件/boot/grub/grub.conf，然后加載內(nèi)核鏡像到內(nèi)存中，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給內(nèi)核。而內(nèi)核會(huì)立即初始化系統(tǒng)中各設(shè)備并做相關(guān)的配置工作，其中包括CPU、I/O、存儲(chǔ)設(shè)備等。

關(guān)于Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的加載，有一部分驅(qū)動(dòng)程序直接被編譯進(jìn)內(nèi)核鏡像中，另一部分驅(qū)動(dòng)程序則是以模塊的形式放在initrd(ramdisk)中。

Linux內(nèi)核需要適應(yīng)多種不同的硬件架構(gòu)，但是將所有的硬件驅(qū)動(dòng)編入內(nèi)核又是不實(shí)際的，而且內(nèi)核也不可能每新出一種硬件結(jié)構(gòu)，就將該硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)寫入內(nèi)核。實(shí)際上Linux的內(nèi)核鏡像僅是包含了基本的硬件驅(qū)動(dòng)，在系統(tǒng)安裝過(guò)程中會(huì)檢測(cè)系統(tǒng)硬件信息，根據(jù)安裝信息和系統(tǒng)硬件信息將一部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)寫入 initrd 。這樣在以后啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，一部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)就放在initrd中來(lái)加載。這里有必要給大家再多介紹一下initrd這個(gè)東東：

initrd 的英文含義是 bootloader initialized RAM disk，就是由 boot loader 初始化的內(nèi)存盤。在 linu2.6內(nèi)核啟動(dòng)前，boot loader 會(huì)將存儲(chǔ)介質(zhì)中的 initrd 文件加載到內(nèi)存，內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)會(huì)在訪問真正的根文件系統(tǒng)前先訪問該內(nèi)存中的 initrd 文件系統(tǒng)。在 boot loader 配置了 initrd 的情況下，內(nèi)核啟動(dòng)被分成了兩個(gè)階段，第一階段先執(zhí)行 initrd 文件系統(tǒng)中的init，完成加載驅(qū)動(dòng)模塊等任務(wù)，第二階段才會(huì)執(zhí)行真正的根文件系統(tǒng)中的 /sbin/init 進(jìn)程。

另外一個(gè)概念：initramfs

initramfs 是在 kernel 2.5中引入的技術(shù)，實(shí)際上它的含義就是：在內(nèi)核鏡像中附加一個(gè)cpio包，這個(gè)cpio包中包含了一個(gè)小型的文件系統(tǒng)，當(dāng)內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)核將這個(gè) cpio包解開，并且將其中包含的文件系統(tǒng)釋放到rootfs中，內(nèi)核中的一部分初始化代碼會(huì)放到這個(gè)文件系統(tǒng)中，作為用戶層進(jìn)程來(lái)執(zhí)行。這樣帶來(lái)的明顯的好處是精簡(jiǎn)了內(nèi)核的初始化代碼，而且使得內(nèi)核的初始化過(guò)程更容易定制。

疑惑的是：我的內(nèi)核是2.6.32-71.el6.i686版本，但在我的/boot分區(qū)下面卻存在的是/boot/initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img類型的文件，沒搞明白，還望高人解惑。我只知道在2.6內(nèi)核中支持兩種格式的initrd，一種是2.4內(nèi)核的文件系統(tǒng)鏡像image-initrd，一種是cpio格式。接下來(lái)我們就來(lái)探究一下initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img里到底放了那些東西。

在tmp文件夾中解壓initrd.img里的內(nèi)容：

如果initrd.img文件的格式顯示為“initrd.img:ISO 9660 CD-ROM filesystem data”，則可直接輸入命令“mount -o loop initrd.img /mnt/test”進(jìn)行掛載。

通過(guò)上的分析和我們的驗(yàn)證，我們確實(shí)得到了這樣的結(jié)論：

grub的stage2將initrd加載到內(nèi)存里，讓后將其中的內(nèi)容釋放到內(nèi)容中，內(nèi)核便去執(zhí)行initrd中的init腳本，這時(shí)內(nèi)核將控制權(quán)交給了init文件處理。我們簡(jiǎn)單瀏覽一下init腳本的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)它也主要是加載各種存儲(chǔ)介質(zhì)相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)所需的驅(qū)動(dòng)程序加載完后，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)根設(shè)備，然后將根文件系統(tǒng)rootfs以只讀的方式掛載。這一步結(jié)束后，釋放未使用的內(nèi)存，轉(zhuǎn)換到真正的根文件系統(tǒng)上面去，同時(shí)運(yùn)行/sbin/init程序，執(zhí)行系統(tǒng)的1號(hào)進(jìn)程。此后系統(tǒng)的控制權(quán)就全權(quán)交給/sbin/init進(jìn)程了。

初始化系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)千辛萬(wàn)苦的跋涉，我們終于接近黎明的曙光了。接下來(lái)就是最后一步了：初始化系統(tǒng)。/sbin/init進(jìn)程是系統(tǒng)其他所有進(jìn)程的父進(jìn)程，當(dāng)它接管了系統(tǒng)的控制權(quán)先之后，它首先會(huì)去讀取/etc/inittab文件來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的腳本進(jìn)行系統(tǒng)初始化，如設(shè)置鍵盤、字體，裝載模塊，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)等。主要包括以下工作：

1)、執(zhí)行系統(tǒng)初始化腳本(/etc/rc.d/rc.sysinit)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本的配置，以讀寫方式掛載根文件系統(tǒng)及其它文件系統(tǒng)，到此系統(tǒng)算是基本運(yùn)行起來(lái)了，后面需要進(jìn)行運(yùn)行級(jí)別的確定及相應(yīng)服務(wù)的啟動(dòng)。rc.sysinit所做的事情(不同的Linux發(fā)行版，該文件可能有些差異)如下：

（1）獲取網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與主機(jī)類型。首先會(huì)讀取網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)置文件”/etc/sysconfig/network”，獲取主機(jī)名稱與默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

（2）測(cè)試與載入內(nèi)存設(shè)備/proc及usb設(shè)備/sys。除了/proc外，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)檢測(cè)是否有usb設(shè)備，并主動(dòng)加載usb驅(qū)動(dòng)，嘗試載入usb文件系統(tǒng)。

（3）決定是否啟動(dòng)SELinux。

（4）接口設(shè)備的檢測(cè)與即插即用（pnp）參數(shù)的測(cè)試。

（5）用戶自定義模塊的加載。用戶可以再”/etc/sysconfig/modules/*.modules”加入自定義的模塊，此時(shí)會(huì)加載到系統(tǒng)中。

（6）加載核心的相關(guān)設(shè)置。按”/etc/sysctl.conf”這個(gè)文件的設(shè)置值配置功能。

（7）設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間（clock）。

（8）設(shè)置終端的控制臺(tái)的字形。

（9）設(shè)置raid及LVM等硬盤功能。

（10）以方式查看檢驗(yàn)磁盤文件系統(tǒng)。

（11）進(jìn)行磁盤配額quota的轉(zhuǎn)換。

（12）重新以讀取模式載入系統(tǒng)磁盤。

（13）啟動(dòng)quota功能。

（14）啟動(dòng)系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)設(shè)備（產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)功能）。

（15）清楚啟動(dòng)過(guò)程中的臨時(shí)文件。

（16）將啟動(dòng)信息加載到”/var/log/dmesg”文件中。

當(dāng)/etc/rc.d/rc.sysinit執(zhí)行完后，系統(tǒng)就可以順利工作了，只是還需要啟動(dòng)系統(tǒng)所需要的各種服務(wù)，這樣主機(jī)才可以提供相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)功能，因此便會(huì)執(zhí)行下面的腳本。

2)、執(zhí)行/etc/rc.d/rc腳本。該文件定義了服務(wù)啟動(dòng)的順序是先K后S，而具體的每個(gè)運(yùn)行級(jí)別的服務(wù)狀態(tài)是放在/etc/rc.d/rc*.d（*=0~6）目錄下，所有的文件均是指向/etc/init.d下相應(yīng)文件的符號(hào)鏈接。rc.sysinit通過(guò)分析/etc/inittab文件來(lái)確定系統(tǒng)的啟動(dòng)級(jí)別，然后才去執(zhí)行/etc/rc.d/rc*.d下的文件。

也就是說(shuō)，/etc目錄下的init.d、rc、rc*.d、rc.local和rc.sysinit均是指向/etc/rc.d目錄下相應(yīng)文件和文件夾的符號(hào)鏈接。我們以啟動(dòng)級(jí)別3為例來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明一下。

/etc/rc.d/rc3.d目錄，該目錄下的內(nèi)容全部都是以 S 或 K 開頭的鏈接文件，都鏈接到”/etc/rc.d/init.d”目錄下的各種shell腳本。S表示的是啟動(dòng)時(shí)需要start的服務(wù)內(nèi)容，K表示關(guān)機(jī)時(shí)需要關(guān)閉的服務(wù)內(nèi)容。/etc/rc.d/rc*.d中的系統(tǒng)服務(wù)會(huì)在系統(tǒng)后臺(tái)啟動(dòng)，如果要對(duì)某個(gè)運(yùn)行級(jí)別中的服務(wù)進(jìn)行更具體的定制，通過(guò)chkconfig命令來(lái)操作，或者通過(guò)setup、ntsys、system-config-services來(lái)進(jìn)行定制。如果我們需要自己增加啟動(dòng)的內(nèi)容，可以在init.d目錄中增加相關(guān)的shell腳本，然后在rc*.d目錄中建立鏈接文件指向該shell腳本。這些shell腳本的啟動(dòng)或結(jié)束順序是由S或K字母后面的數(shù)字決定，數(shù)字越小的腳本越先執(zhí)行。例如，/etc/rc.d/rc3.d /S01sysstat就比/etc/rc.d/rc3.d /S99local先執(zhí)行。

3)、執(zhí)行用戶自定義引導(dǎo)程序/etc/rc.d/rc.local。其實(shí)當(dāng)執(zhí)行/etc/rc.d/rc3.d/S99local時(shí)，它就是在執(zhí)行/etc/rc.d/rc.local。S99local是指向rc.local的符號(hào)鏈接。就是一般來(lái)說(shuō)，自定義的程序不需要執(zhí)行上面所說(shuō)的繁瑣的建立shell增加鏈接文件的步驟，只需要將命令放在rc.local里面就可以了，這個(gè)shell腳本就是保留給用戶自定義啟動(dòng)內(nèi)容的。

4)、完成了系統(tǒng)所有的啟動(dòng)任務(wù)后，linux會(huì)啟動(dòng)終端或X-Window來(lái)等待用戶登錄。tty1,tty2,tty3…這表示在運(yùn)行等級(jí)1，2，3，4的時(shí)候，都會(huì)執(zhí)行”/sbin/mingetty”，而且執(zhí)行了6個(gè)，所以linux會(huì)有6個(gè)純文本終端，mingetty就是啟動(dòng)終端的命令。

除了這6個(gè)之外還會(huì)執(zhí)行”/etc/X11/prefdm-nodaemon”這個(gè)主要啟動(dòng)X-Window

至此，系統(tǒng)就啟動(dòng)完畢了。以上分析不到的地方還請(qǐng)各位大蝦不吝指正。

關(guān)于Linux的其他分析內(nèi)容下次再繼續(xù)寫。

最后附上一張非常完整的系統(tǒng)啟動(dòng)流程圖，適合各個(gè)水平階段的讀者。

參考文獻(xiàn)：

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• http://icarusli.iteye.com/blog/625755
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