Linux启动过程及系统初始化

一、前言

    服务器在正常的运行过程中，很少有重启的机会。在正常的情况下，也很少有出现启动异常的情况，但是在遭到了人为或者误操作的情况后，可能会出现启动异常的情况。为了加深学习系统启动流程，能够更加深入理解Linux系统的启动流程。总结了这篇文字。

二、简述启动流程

    在服务器被加电后,大体流程如下：POST—->MBR(bootloader)—->kernel(ramdisk)—->挂载rootfs(ro)—->运行/sbin/init—->运行系统初始化脚本—->启动终端

1、第一阶段POST（POWER ON and SELF TEST即加电自检）是主板上的BIOS系统在加电后自动检测硬件设备比如：cpu、内存、主板等等，加载各种硬件运行参数，确保硬件正常运行，保护硬件的作用。如果在此过程中出现故障，一般会有提示音。或者会在屏幕上面显示故障信息，提醒用户处理；如果正常，则进入下一步，根据BIOS的设定的启动顺序（BootLoader），找到第一序列的启动设备，一般是的启动设备就是硬盘（在特定的情况下也有光盘或者U盘）。

2、在找到第一启动设备后，系统会去读该设备的MBR（Master Boot Record），然后系统就可以根据引导加载程序（Boot Loader）开始执行以下的工作：

    BootLoader主要安装在启动设备的第一个扇区.系统会在第一个扇区446bytes加载grub程序成为一个阶段，以及在加载2-27扇区的第1.5阶段，最后找到/boot/grub，完成第二阶段。在Linux系统目录下，有一个/boot目录，里面有grub目录以及VMLinuz（内核）、initramfs等文件。

而在grub目录中，则有grub启动的第一阶段、第1_5阶段以及第二阶段，还有grub的配置文件（grub.conf）提供启动配置。

    3、grub在启动的过程中提供启动菜单、并提供交互式接口；加载用户选择的内核或者操作系统；为菜单提供保护机制。同时，编辑grub的配置文件grub.conf能够改变启动是提供给用户的交互接口。grub.conf的内容如下：

相应的配置：

    default=#: 设定默认启动的菜单项；落单项(title)编号从0开始
    timeout=#：指定菜单项等待选项选择的时长
    splashimage=(hd#,#)/PATH/TO/XPM_FILE：菜单背景图片文件路径
    hiddenmenu：隐藏菜单
    password [–md5] STRING: 启动菜单编辑认证
    title TITLE：定义菜单项“标题” , 可出现多次
    root (hd#,#)： grub查找stage2及kernel文件所在设备分区；为grub“根”
    kernel /PATH/TO/VMLINUZ_FILE [PARAMETERS]：启动的内核
    initrd /PATH/TO/INITRAMFS_FILE: 内核匹配的ramfs文件
    password [–md5] STRING: 启动选定的内核或操作系统时进行认证

    在启动的时候，grub提供的界面如下：

供用户选择在配置文件grub.conf里面设置启动选项，通过下面的提示符，可以进入某一个选项，里面的配置如下：

是不是和在配置文件里面看到的一样。如果在配置文件里面加入password字段的话，要进入这个界面是需要密码的，这也提供了很好的保护机制，不是每个人都有权利进入这个界面的。

    当启动流程进入这个步骤后，下一步就是grub程序的引导下找到/boot目录下找到内核文件以及为服务加载内核的文件initramfs。然后就是将内核文件成功的加载到内存中。

    4、内核加载完成后，就可以挂载根文件系统（rootfs）。但是要加载rootfs，就必须要其下的设备，而设备的驱动是在根文件系统中，而根文件系统现在还没有挂载就没办法取得设备的驱动，这就形成了一个死循环。而/boot下面的initramfs文件就是解决这一问题的。为加载后的内核提供根文件系统的所在设备的驱动，让能正常挂载。initramfs文件里面的内容如下：

可以看见它提供了很多为挂载根文件系统的很多程序以及驱动。将initramfs加载后，相当于运行了一个过度系统，该系统有根文件系统的设备驱动，能够将其挂载上，但是，此时挂载的根文件系统是以只读的方式。到此内核空间的任务完成，开始进入用户空间的进程。

    5、进入用户空间流程，执行的第一个程序就是/sbin/init，该程序完成了用户空间的启动流程，完成后启动/etc/inittab文件，初始化用户空间。/颚突出/inittab如下：

设定启动的默认模式，默认的是多用户命令行模式：

    0：关机

    1：单用户模式

    2：不带网络文件系统个功能的多用户模式

    3：多用户模式

    4：未设置

    5：图形界面模式

    6：重新启动

上图中小框的内容是系统初始化脚本：

     (1)设置主机名

    (2) 设置欢迎信息

    (3) 激活udev和selinux

    (4) 挂载/etc/fstab文件中定义的文件系统

    (5) 检测根文件系统，并以读写方式重新挂载根文件系统

    (6) 设置系统时钟

    (7) 激活swap设备

    (8) 根据/etc/sysctl.conf文件设置内核参数

    (9) 激活lvm及software raid设备

    (10) 加载额外设备的驱动程序

    (11) 清理操作

大框内的内容是设定不同启动模式下的服务启动配置：在/etc/rc.d目录下的文件是这样的

rc#.d中的数字#代表是7中启动模式，每个目录定义的是在不同的启动模式下启动或关闭的服务的设置，里面的文件如下：

里面的文件按都是以S#和K#开头的文件，且都是软连接的文件，它们都指向/etc/init.d目录下的文件，K即kill,代表在该模式下停止服务，S为start，代表在不同的模式下启用服务，数字定义服务开启或者关闭的顺序。而每个文件的格式如下：

框内的为固定格式，chkconfig后面的3组数字分别代表在3、4、5模式下的动作（启动或者关闭）、启动顺序和关闭顺序。

上图从上到下分别定义：

    a、定义ctrl+alt+delete组合键的功能

    b、定义在断电是ups电源的设定

    c、设置虚拟终端，可以通过修改这些设置添加或者减少虚拟终端

    d、定义图像界面启动设置

在/etc/rc.d中有一个脚本rc.local，在开机最后加载，可以根据自己的需求将一些执行命令或是脚本写到里面，当开机时，就可以加载。

最后，完成所有用户空间的设置，进入登录提示界面，启动完成。

总结，在整个启动过程中，至关重要的文件有：

    A、boot 一般将这个目录单独分区挂载为简单分区

    B、grub以及grub.conf文件

    C、vmlinuz以及initrd文件

    D、/etc/inittab脚本

    E、/etc/rc.d/rc.sysinit脚本等