Linux啟動流程基本分析

Linux啟動流程總的來說可以分成三個階段

Linux啟動流程圖

第一步：上電

?在 x86 系統(tǒng)中，將 1M 空間最上面的 0xF0000 到 0xFFFFF 這 64K 映射給 ROM。

?當(dāng)電腦剛加電的時候，會做一些重置的工作，將 CS 設(shè)置為 0xFFFF，將 IP 設(shè)置為 0x0000，所以第一條指令就會指向 0xFFFF0，正是在 ROM 的范圍內(nèi)。

?在這里，有一個 JMP 命令會跳到 ROM 中做初始化工作的代碼，于是，BIOS 開始進行初始化的工作

第二步：BIOS啟動

固件初始化：計算機開機后，UEFI固件會進行初始化，包括硬件初始化、自檢和加載UEFI固件驅(qū)動程序等。

啟動設(shè)備選擇：UEFI固件會檢測并識別可啟動的設(shè)備，如硬盤、光盤、USB設(shè)備等。它會根據(jù)預(yù)設(shè)的啟動順序或用戶設(shè)置的啟動選項，選擇一個可啟動的設(shè)備作為啟動介質(zhì)。

UEFI固件驅(qū)動程序加載：UEFI固件會加載設(shè)備上的UEFI固件驅(qū)動程序，這些驅(qū)動程序負責(zé)與硬件設(shè)備進行交互，以便后續(xù)的啟動過程能夠正常進行。

UEFI應(yīng)用程序加載：UEFI固件會加載位于啟動介質(zhì)上的UEFI應(yīng)用程序，如引導(dǎo)加載程序（Bootloader）或操作系統(tǒng)的引導(dǎo)管理器。這些應(yīng)用程序通常位于EFI系統(tǒng)分區(qū)中，以.efi文件格式存在。

引導(dǎo)加載程序執(zhí)行：加載的引導(dǎo)加載程序會接管控制權(quán)，負責(zé)加載操作系統(tǒng)內(nèi)核或其他引導(dǎo)組件。常見的引導(dǎo)加載程序有UEFI Shell、GRUB、rEFInd等。

第三步：Linux啟動

Linux啟動-引導(dǎo)

?我們可以通過BIOS界面選擇硬盤啟動項進入OS，那BIOS是怎么發(fā)現(xiàn)這個硬盤里有OS？

?答案就是MBR（Master Boot Record），

?MBR是放在硬盤的第一個扇區(qū)，一共512字節(jié)，

?可以分成兩部分：

?主引導(dǎo)記錄：安裝啟動引導(dǎo)程序的地方，446字節(jié)，

?分區(qū)表：記錄整個硬盤分區(qū)的的狀態(tài)此外，64字節(jié)

Linux啟動-引導(dǎo)EBR/VBR

?找到MBR后下一步做啥？

?(1)如果查找分區(qū)表時發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)裝在主分區(qū)，然后執(zhí)行已載入的MBR中的boot loader代碼，加載該激活主分區(qū)的VBR中的boot loader，至此，控制權(quán)就交給了VBR的boot loader

?(2)如果操作系統(tǒng)不是裝在主分區(qū)，那么肯定是裝在邏輯分區(qū)中，所以查找完主分區(qū)表后會繼續(xù)查找擴展分區(qū)表，直到找到EBR所在的分區(qū)，然后MBR中的boot loader將控制權(quán)交給該EBR的boot loader

Linux啟動-引導(dǎo)GRUB2介紹

?GNU GRUB（GRand Unified Bootloader簡稱“GRUB”）是一個來自GNU項目的多操作系統(tǒng)啟動程序。GRUB是多啟動規(guī)范的實現(xiàn)，它允許用戶可以在計算機內(nèi)同時擁有多個操作系統(tǒng)，并在計算機啟動時選擇希望運行的操作系統(tǒng)。GRUB可用于選擇操作系統(tǒng)分區(qū)上的不同內(nèi)核，也可用于向這些內(nèi)核傳遞啟動參數(shù)。

?生成配置文件：grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg

?安裝：grub2-install /dev/sda

Linux啟動-引導(dǎo)GRUB2加載

?Grub2 第一個安裝的就是 boot.img，BIOS 完成任務(wù)后，會將 boot.img 從硬盤加載到內(nèi)存中的 0x7c00 來運行。boot.img會加載 core.img。如果從硬盤啟動的話，這個扇區(qū)里面是 diskboot.img，diskboot.img 的任務(wù)就是將 core.img 的其他部分加載進來，先是解壓縮程序 lzma_decompress.img，再往下是 kernel.img，最后是各個模塊 module 對應(yīng)的映像。這里需要注意，它不是 Linux 的內(nèi)核，而是 grub 的內(nèi)核。

?隨著我們加載的東西越來越大，實模式這 1M 的地址空間實在放不下了，所以在真正的解壓縮之前，lzma_decompress.img 做了一個重要的決定，就是調(diào)用 real_to_prot，切換到保護模式，這樣就能在更大的尋址空間里面，加載更多的東西。

Linux啟動-0/1號進程

?set_task_stack_end_magic(&init_task)。這里面有一個參數(shù) init_task，它的定義是 struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task)。

?它是系統(tǒng)創(chuàng)建的第一個進程，我們稱為 0 號進程。這是唯一一個沒有通過 fork 或者 kernel_thread 產(chǎn)生的進程，是進程列表的第一個。

?1.trap_init()中斷初始化

?2.mm_init()內(nèi)存初始化

?3.sched_init()調(diào)度策略初始化

?4.vfs_caches_init()基于內(nèi)存文件系統(tǒng)rootfs初始化

?5.start_kernel()->rest_init()其他方面的初始化

?rest_init 的第一大工作是，用 kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS) 創(chuàng)建第二個進程，這個是 1 號進程。1 號進程對于操作系統(tǒng)來講，有“劃時代”的意義。

Linux啟動-ramdisk

?init 程序是在文件系統(tǒng)上的，文件系統(tǒng)一定是在一個存儲設(shè)備上的，例如硬盤。Linux 訪問存儲設(shè)備，要有驅(qū)動才能訪問。如果存儲系統(tǒng)數(shù)目很有限，那驅(qū)動可以直接放到內(nèi)核里面，但是文件系統(tǒng)的格式有很多，全都放進內(nèi)核那內(nèi)核就太大了。

?這該怎么辦呢？

?我們只好先弄一個基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)。內(nèi)存訪問是不需要驅(qū)動的，這個就是 ramdisk。這個時候，ramdisk 是根文件系統(tǒng)。

?運行 ramdisk 上的 /init，等它運行完了就已經(jīng)在用戶態(tài)了。/init 這個程序會先根據(jù)存儲系統(tǒng)的類型加載驅(qū)動，有了驅(qū)動就可以設(shè)置真正的根文件系統(tǒng)了。有了真正的根文件系統(tǒng)，ramdisk 上的 /init 會啟動文件系統(tǒng)上的 init。

Linux啟動-init介紹

?前面0/1進程都屬于內(nèi)核線程，ps pid=1的是init進程

? if (ramdisk_execute_command) {

?ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);

?...... }

?......

?if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||

?!try_to_run_init_process("/etc/init") ||

? !try_to_run_init_process("/bin/init") ||

?!try_to_run_init_process("/bin/sh")) return 0

?它會嘗試運行 ramdisk 的“/init”，或者普通文件系統(tǒng)上的“/sbin/init”“/etc/init”“/bin/init”“/bin/sh”。不同版本的 Linux 會選擇不同的文件啟動，但是只要有一個起來了就可以。

?Init類型：

?SysV:CentOS 5之前, 配置文件/etc/inittab

?Upstart:CentOS 6，配置文件/etc/inittab,/etc/init/*.conf

?Systemd:CnetOS7, 配置文件/usr/lib/system/syste,/etc/systemd/system

Linux啟動-運行級別

Linux啟動-fstab

?任何硬件設(shè)備連接后，操作系統(tǒng)使用硬件，即需要掛載。windows只不過是自動“掛載”了，linux需要手動自己搞。在Linux系統(tǒng)下，例如每次掛載/dev/sdb1（例如U盤設(shè)備文件）需要手動使用命令mount。當(dāng)然，每次重啟，開啟時，硬盤一般也是被自動掛載的，而自動掛載的信息，就記錄在/etc/fstab文件中。

? 系統(tǒng)每次啟動都會讀取/etc/fstab中的配置內(nèi)容，自動掛載該文件中被記錄的設(shè)備和分區(qū)。

? 第一列：設(shè)備文件或UUID或label（三者的區(qū)別看下面）

? 第二列：設(shè)備的掛載點（空目錄）

? 第三列：該分區(qū)文件系統(tǒng)的格式（可以使用特殊的參數(shù)auto，自動識別分區(qū)的分區(qū)格式）

? 第四列：文件系統(tǒng)的參數(shù)，設(shè)置格式的選項

? 第五列：dump備份的設(shè)置（0表示不進行dump備份，1代表每天進行dump備份，2代表不定日期的進行dump備份）

? 第六列：磁盤檢查設(shè)置（其實是一個檢查順序，0代表不檢查，1代表第一個檢查，2后續(xù).一般根目錄是1，數(shù)字相同則同時檢查）

Linux啟動-用戶登錄

一般來說：用戶登錄方式有三種

1.命令行登錄

2.ssh登錄

3.圖形登錄

Linux是多任務(wù)多用戶的操作系統(tǒng)，它允許多人同時在線工作。但每個人都必須要輸入用戶名和密碼才能驗證身份并最終登錄。但登陸時是以圖形界面的方式給用戶使用，還是以純命令行模式給用戶使用呢？這是終端決定的，也就是說在登錄前需要先加載終端。

現(xiàn)代Linux上，console終端已經(jīng)和原始的意義不太一樣了，其設(shè)備映射在/dev/console上，所有內(nèi)核輸出的信息都輸出到console終端，而其他用戶程序輸出的信息則輸出到虛擬終端或偽終端。

總結(jié)下：

/dev/console：控制臺終端

/dev/ttyN：虛擬終端，ctrl+alt+f[1-6]切換的就是虛擬終端

/dev/ttySN：串行終端

/dev/pts/N：偽終端，ssh等工具連接過去的活著圖形終端下開啟的命令行終端就是偽終端。

Linux啟動-用戶切換

Linux預(yù)設(shè)提供了六個命令窗口終端機讓我們來登錄。

默認我們登錄的就是第一個窗口，也就是tty1，這個六個窗口分別為tty1,tty2 … tty6，你可以按下Ctrl + Alt + F1 ~ F6 來切換它們

?

?針對我的VM Virtual BOX ctrl+alt + F1是圖形終端， ctrl+alt + F2~F6命令行終端

Linux啟動流程思維導(dǎo)圖

end

審核編輯 黃宇