linux操作系統啟動流程 & grub簡述

CentOS 5 啟動流程

1.POST：通電自檢
2.BIOS:BOIS自檢，加載硬盤
3.讀取MBR，進行MBR引導
4.bootloader:grub引導菜單
5.加載內核 Kernel（ramdisk)
6.啟動init進程，依據inittab文件設定運行級別
7.init進程，執行rc.sysinit文件
8.啟動內核模塊，執行不同級別的腳本程序
9.執行/etc/rc.d/rc.local
10.啟動mingetty，進入系統登陸界面。

1.BIOS

打開計算機電源，計算機會首先加載BIOS信息。BIOS中包含了CPU的相關信息、設備啟動順序信息、硬盤信息、內存信息、時鐘信息、PnP特性等等。開機時將ROM中的指令映射到RAM的低地址空間,CPU讀取到這些指令,硬件的健康狀況進行檢查,按照BIOS中設置的啟動設備來啟動。

2.MBR

硬盤上第0磁道第一個扇區被稱為MBR，也就是Master Boot Record，即主引導記錄，它的大小是512字節，可里面卻存放了預啟動信息、分區表信息。
系統找到BIOS所指定的硬盤的MBR后，就會將其復制到0×7c00地址所在的物理內存中。被復制到物理內存的內容就是Boot Loader，那就是lilo或者grub了。

3.bootloader

Boot Loader 就是在操作系統內核運行之前運行的一段小程序。bootloader供一個菜單，允許用戶選擇要啟動的系統或不同的內核版本； 把用戶選定的內核裝載到RAM中的特定空間中，解壓、展開，而后把系統控制權移交給內核。

Boot Loader有若干種，其中Grub、Lilo和spfdisk是常見的。

grub簡介

grub啟動三階段：

• stage1: 引導安裝在MBR中的引導程序（bootloader）
• stage1_5: mbr之后的扇區，讓stage1中的bootloader能識別stage2所在的分區上的文件系統；
• stage2：讀取存放在磁盤上的grub（存放位置：/boot/grub），grub的配置文件：/boot/grub/grub.conf，在etc目錄下有此文件的連接文件：/etc/grub.conf

注意：stage2及內核通常放置于同一個磁盤分區。

grub stage2功用：

• 提供菜單、并提供交互式接口
  e: 編輯模式，用于編輯菜單；
  c: 命令模式，交互式接口；
• 加載用戶選擇的內核或操作系統
  允許傳遞參數給內核
  可隱藏此菜單
• 為菜單提供了保護機制
  為編輯菜單進行認證
  為啟用內核或操作系統進行認證

grub的命令行接口

help: 獲取幫助列表
help KEYWORD: 詳細幫助信息
find (hd#,#)/PATH/TO/SOMEFILE：
root (hd#,#)
kernel /PATH/TO/KERNEL_FILE: 設定本次啟動時用到的內核文件；額外還可以添加許多內核支持使用的cmdline參數；
    例如：init=/path/to/init, selinux=0
initrd /PATH/TO/INITRAMFS_FILE: 設定為選定的內核提供額外文件的ramdisk；
boot: 引導啟動選定的內核；

手動在grub命令行接口啟動系統：
    grub> root (hd#,#)
    grub> kernel /vmlinuz-VERSION-RELEASE ro root=/dev/DEVICE 
    grub> initrd /initramfs-VERSION-RELEASE.img
    grub> boot

如何識別設備

（hd#,#)  
    　hd#: 磁盤編號，用數字表示；從0開始編號    
    　#: 分區編號，用數字表示; 從0開始編號  

grub配置文件

[root@localhost ~]# cat /boot/grub/grub.conf 
# grub.conf generated by anaconda
#
# Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file
# NOTICE:  You have a /boot partition.  This means that
#          all kernel and initrd paths are relative to /boot/, eg.
#          root (hd0,0)
#          kernel /vmlinuz-version ro root=/dev/sda2
#          initrd /initrd-[generic-]version.img
#boot=/dev/sda
default=0
timeout=5
splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz
hiddenmenu
title CentOS 6 (2.6.32-696.el6.x86_64)
        root (hd0,0)
        kernel /vmlinuz-2.6.32-696.el6.x86_64 ro root=UUID=d420f98e-b665-44d9-a4fd-e0e1503ea87c rd_NO_LUKS rd_NO_LVM LANG=en_US.UTF-8 rd_NO_MD SYSFONT=latarcyrheb-sun16 crashkernel=auto  KEYBOARDTYPE=pc KEYTABLE=us rd_NO_DM rhgb quiet
        initrd /initramfs-2.6.32-696.el6.x86_64.img

參數：
    default=#: 設定默認啟動的菜單項；落單項(title)編號從0開始；
    timeout=#：指定菜單項等待選項選擇的時長；
    splashimage=(hd#,#)/PATH/TO/XPM_PIC_FILE：指明菜單背景圖片文件路徑；
    hiddenmenu：隱藏菜單；
    password [--md5] STRING: 菜單編輯認證；
    title TITLE：定義菜單項“標題”, 可出現多次；
        root (hd#,#)：grub查找stage2及kernel文件所在設備分區；為grub的“根”; 
        kernel /PATH/TO/VMLINUZ_FILE [PARAMETERS]：啟動的內核
        initrd /PATH/TO/INITRAMFS_FILE: 內核匹配的ramfs文件；
        password [--md5] STRING: 啟動選定的內核或操作系統時進行認證；

實例:手動恢復grub

1>.屏幕上出現grub的啟動項選擇菜單時按c鍵也是可以進入grub>狀態的

2>.輸入“ root (hd ” ，然后按兩次 TAB 鍵； /* 這會列出你電腦上可能的磁盤設備，硬盤為 hd0/hd1 或 sd0/sd1 等 */

然后，選擇你的安裝 Linux 系統的硬盤，比如 hd0 ，輸入 “ root (hd0, ” 再按兩次 TAB 鍵； /* 這會列出你的第一塊硬盤上的分區情況，你會知道哪個是 swap 交換分區， 0x82 ，哪個是 Linux 分區 0x83 */

3>.cat指令是用來查看文件內容的，有時我們不知道Linux的/boot分區，以及/根分區所在的位置，要查看/etc/fstab的內容來得知
這時，我們就要用到cat (hd[0-n],y)/etc/fstab 來獲得這些內容；注意要學會用tab鍵命令補齊的功能；

4>.root (hd[0-n,y) 指令來指定/boot所在的分區

選擇你認為可能的 /boot 目錄所在的分區:第一塊硬盤第一個分區

5>.kernel 指令，用來指定Linux的內核，及/所在的分區

如果/boot有自己獨立的分區，kernel格式如下；

kernel /vmlinuz在這里按tab鍵來補齊，就看到內核全稱了 ro root=/dev/hd[a-z]X

6>.initrd 命令行來指定initrd文件

如果/boot是獨立的一個分區，格式如下：

grub> initrd /init在這里tab 來補齊；

7>.boot 引導系統

前面的幾個步驟都弄好 。就進入引導

4.加載內核

Kernel，內核，Kernel是Linux系統最主要的程序，實際上，Kernel的文件很小，只保留了最基本的模塊，并以壓縮的文件形式存儲在硬盤中，當GRUB將Kernel讀進內存，內存開始解壓縮內核文件。

initrd(Initial RAM Disk)，它在stage2這個步驟就被拷貝到了內存中，這個文件是在安裝系統時產生的，是一個臨時的根文件系統(rootfs)。因為Kernel為了精簡，只保留了最基本的模塊，因此，Kernel上并沒有各種硬件的驅動程序，也就無法識rootfs所在的設備，故產生了initrd這個文件，該文件裝載了必要的驅動模塊，當Kernel啟動時，可以從initrd文件中裝載驅動模塊，直到掛載真正的rootfs，然后將initrd從內存中移除。

Kernel會以只讀方式掛載根文件系統，當根文件系統被掛載后，開始裝載第一個進程(用戶空間的進程)，執行/sbin/init，之后就將控制權交接給了init程序。

總結

1. 探測可識別到的所有硬件設備；
2. 加載硬件驅動程序；（有可能會借助于ramdisk加載驅動）
3. 以只讀方式掛載根文件系統:rootfs;
4. 運行用戶空間的第一個應用程序：/sbin/init

5. init:依據inittab文件設定運行級別

內核被加載后，第一個運行的程序便是/sbin/init，該文件會讀取/etc/inittab文件，并依據此文件來進行初始化工作。其實/etc/inittab文件最主要的作用就是設定Linux的運行等級，其設定形式是“：id:5:initdefault:”，這就表明Linux需要運行在等級5上。Linux的運行等級設定如下：

[root@localhost ~]# cat /etc/inittab 
# inittab is only used by upstart for the default runlevel.
#
# ADDING OTHER CONFIGURATION HERE WILL HAVE NO EFFECT ON YOUR SYSTEM.
#
# System initialization is started by /etc/init/rcS.conf
#
# Individual runlevels are started by /etc/init/rc.conf
#
# Ctrl-Alt-Delete is handled by /etc/init/control-alt-delete.conf
#
# Terminal gettys are handled by /etc/init/tty.conf and /etc/init/serial.conf,
# with configuration in /etc/sysconfig/init.
#
# For information on how to write upstart event handlers, or how
# upstart works, see init(5), init(8), and initctl(8).
#
# Default runlevel. The runlevels used are:
#   0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
#   1 - Single user mode
#   2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not have networking)
#   3 - Full multiuser mode
#   4 - unused
#   5 - X11
#   6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
# 
id:5:initdefault:

７個級別：
    0：關機, shutdown
    1：單用戶模式(single user)，root用戶，無須認證；維護模式；
    2、多用戶模式(multi user)，會啟動網絡功能，但不會啟動NFS；維護模式；
    3、多用戶模式(mutli user)，完全功能模式；文本界面；
    4、預留級別：目前無特別使用目的，但習慣以同3級別功能使用；
    5、多用戶模式(multi user)， 完全功能模式，圖形界面；
    6、重啟，reboot

默認級別：3, 5                   
級別切換：init #                 
級別查看：
    who -r
    runlevel 

配置文件/etc/inittab

每行定義一種action以及與之對應的process
    id:runlevels:action:process 

        id：一個任務的標識符，用于唯一標識每個登記項，不能重復
        runlevels：系統的運行級別，表示process的action要在哪個級別下運行，該段中可以定義多個運行級別，各級別之間直接寫不用分隔符；如果為空，表示在所有的運行級別運行
        action：表示對應登記項的process在一定條件下所要執行的動作。
        process：任務；

    action：
        wait：等待切換至此任務所在的級別時執行一次；
        respawn：一旦此任務終止，就自動重新啟動之；
        initdefault：設定默認運行級別；此時，process省略；
        sysinit：設定系統初始化方式，只有系統開機或重新啟動的時候，這個process才會被執行一次，此處一般為指定/etc/rc.d/rc.sysinit腳本；

例子：
id:3:initdefault:
    表示我們默認的運行級別是3，也就是說我們默認開機啟動會進入命令行模式。

si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
    所所有的運行級別下，init依賴/etc/rc.d/rc.sysinit這個腳本對系統進行初始化


l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
.....
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6

    l0:標識
    0：動作在0級別下運行
    wait：是指在切換至0級別時執行后面的process(/etc/rc.d/rc 0)，并且init進程會等待直到這些進程終止。/etc/rc.d/rc 0 這是一個腳本，后面的0是傳遞進去的參數 ，傳遞進去0就代表著要去啟動或關閉/etc/rc.d/rc0.d/目錄下的服務腳本所控制服務；
        K*：要停止的服務；K##*，優先級，數字越小，越是優先關閉；依賴的服務先關閉，而后關閉被依賴的；
        S*：要啟動的服務；S##*，優先級，數字越小，越是優先啟動；被依賴的服務先啟動，而依賴的服務后啟動  

        [root@localhost rc1.d]# cd /etc/rc.d/rc0.d
        [root@localhost rc0.d]# ls
        K01smartd        K16abrt-ccpp               K60crond             K75ntpdate         K87irqbalance   K92ip6tables     K99sysstat
        K05atd           K16abrtd                   K61nfs-rdma          K75quota_nld       K87restorecond  K92iptables      K99vmware-tools
        K05wdaemon       K25sshd                    K73winbind           K75udev-post       K88auditd       K92pppoe-server  S00killall
        K10cups          K30postfix                 K74acpid             K83bluetooth       K88rsyslog      K95firstboot     S01halt
        K10psacct        K30spice-vdagentd          K74haldaemon         K84NetworkManager  K89netconsole   K95rdma
        K10saslauthd     K43vmware-tools-thinprint  K74ntpd              K84wpa_supplicant  K89portreserve  K99cpuspeed
        K15htcacheclean  K50dnsmasq                 K75blk-availability  K85mdmonitor       K89rdisc        K99lvm2-monitor
        K15httpd         K50kdump                   K75netfs             K85messagebus      K90network      K99rngd

6.系統初始化腳本rc.sysinit

系統初始化腳本：/etc/rc.d/rc.sysinit

1. 設置主機名；
2. 設置歡迎信息；
3. 激活udev和selinux；
4. 掛載/etc/fstab文件中定義的所有文件系統；
5. 檢測根文件系統，并以讀寫方式重新掛載根文件系統；
6. 設置系統時鐘；
7. 根據/etc/sysctl.conf文件來設置內核參數；
8. 激活lvm及軟raid設備；
9. 激活swap設備；
10. 加載額外設備的驅動程序；
11. 清理操作；

7.啟動內核模塊，執行不同級別的腳本程序

執行/etc/inittab中腳本：

l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
.....
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6

8.執行/etc/rc.d/rc.local

/etc/rc.d/rc.local是給用戶自定義啟動時需要執行的文件。

9.啟動mingetty，進入系統登陸界面

tty1:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty1
... ...
tty6:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty6

（1）mingetty會調用login程序；
（2）打開虛擬終端的程序除了mingetty之外，還有諸如getty等；

CentOS6啟動流程

1.POST：通電自檢  
2.BIOS:BOIS自檢，加載硬盤  
3.讀取MBR，進行MBR引導  
4.bootloader:grub引導菜單  
5.加載內核 Kernel（ramdisk)    
6.啟動init進程，依據inittab文件設定運行級別 （inittab用于定義默認運行級別） 
7.init進程，執行rc.sysinit文件  
8.分別執行/etc/init/rcS.conf、/etc/init/rc.conf、/etc/init/start-ttys.confl來調用命令執行/etc/rc#.d/文件
        里面定義的是各種服務的啟動腳本，可以ls查看，S開頭代表開機啟動的服務，K開頭的是關機要執行的任務。#代表數字，一個數字代表一個運行級別，共7個運行級別，這里就不多說了
9.執行/etc/rc.d/rc.local  
10.執行/bin/login程序，等待用戶登錄

CentOS7啟動流程

1.POST：通電自檢  
2.BIOS:BOIS自檢，加載硬盤  
3.讀取MBR，進行MBR引導  
4.bootloader:grub引導菜單  
5.加載內核和inintamfs模塊   
6.內核開始初始化，使用systemd來代替centos6以前的init程序
7.執行initrd.target
        包括掛載/etc/fstab文件中的系統,此時掛載后，就可以切換到根目錄了
8.從initramfs根文件系統切換到磁盤根目錄
        entos7表面是有“運行級別”這個概念，實際上是為了兼容以前的系統，每個所謂的“運行級別”都有對應的軟連接指向，默認的啟動級別時/etc/systemd/system/default.target,根據它的指向可以找到系統要進入哪個模式 
        模式：

        0 ==> runlevel0.target, poweroff.target
        1 ==> runlevel1.target, rescue.target
        2 ==> runlevel2.target, multi-user.target
        3 ==> runlevel3.target, multi-user.target
        4 ==> runlevel4.target, multi-user.target
        5 ==> runlevel5.target, graphical.target
        6 ==> runlevel6.target, reboot.target
9.systemd執行sysinit.target
10.systemd啟動multi-user.target下的本機與服務器服務
11.systemd執行multi-user.target下的/etc/rc.d/rc.local
12.Systemd執行multi-user.target下的getty.target及登錄服務
        getty.target是啟動終端的systemd對象。如果到此步驟，系統沒有被指定啟動圖形桌面，到此就可以結束了，如果要啟動圖形界面，需要在此基礎上啟動桌面程序
13.systemd執行graphical需要的服務

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