Linux 系统启动过程

Linux的启动其实和windows的启动过程很类似,Linux系统的启动过程大体上也可分为五个阶段:内核的引导、运行init进程、初始化内核、建立终端、用户登录系统。


A.内核引导(包括BIOS启动引导、GRUB启动、Linux内核映像)
设备开机后,先进入BIOS自检程序,这一程序通常知道一些直接连接在主板上的硬件(硬盘,网络接口,键盘,串口,并口),按照BIOS(Basic Input/Output System)的设置,来选择启动介质(默认为硬盘)。下一步,计算机将从你所选择的存储设备中读取起始的512 bytes。这512 bytes叫做主引导记录MBR (master boot record)。MBR会告诉电脑从该设备的某一个分区(partition)来装载引导加载程序grub。grub储存有操作系统的相关信息,比如名称,内核 (kernel)所在位置等。然后启动grub程序,GRUB会根据/boot/grub.conf配置文件中所设置的信息,从/boot/所在的分区上读取Linux内核映像,然后把内核映像加载到内存中并把控制权交给Linux内核,此时Linux才开始控制CPU,并指挥CPU执行Linux核心,开始进入内核引导过程,随后,kernel会启动一个init进程。它是Linux系统中的1号进程(Linux系统没有0号进程)

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a. BIOS启动引导(主引导加载程序)
计算机开机后,先进入BIOS自检程序,这一程序通常知道一些直接连接在主板上的硬件(硬盘,网络接口,键盘,串口,并口),按照BIOS(Basic Input/Output System)的设置,来选择启动介质(默认为硬盘)。下一步,计算机将从你所选择的存储设备中读取起始的512 bytes。这512 bytes叫做主引导记录MBR (master boot record)。MBR会告诉计算机从该设备的某一个分区(partition)来装载引导加载程序GRUB。GRUB储存有操作系统的相关信息,比如名称,内核 (kernel)所在位置等。

附:
如果要查看MBR的内容,用户需要以root用户的身份运行如下命令:

#dd if=/dev/had of=mbr.bin bs=512 count=1
读入了1+0个块
输出了1+0个块
#od –xa mbr.bin
... ...
它从/dev/had(第一个IDE盘)上读取前512个字节的内容,并将其写入mbr.bin文件中。od命令会以十六进制和ASCII码格式打印这个二进制文件的内容。

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b.GRUB启动(次引导加载程序)
引导加载程序(boot loader),有两种,GRUB和LILO, 这里只讲GRUB 。
引导加载程序也被称为内核加载程序,这个阶段的任务是加载Linux内核。一旦次引导加载程序被加载到内存中后,便会显示GRUB的图形界面,在该界面中用户可以通过上下方向键选择需要加载的操作系统以及它们的内核。

GRUB配置:
GRUB的配置主要通过修改/boot/grub/目录下的grub.conf文件来完成,用户可以通过VI或者在图形界面中使用文件编辑工具打开该文件进行编辑。
1.default选项
2.timeout选项
3.splashimage选项
4.hiddenmenu选项
5.title选项
6.root (hdx,y)
7.kernel选项

附:(根据grub的选项,Linux此时可以进入单用户模式(single user mode)。在此模式下,初始脚本还没有开始执行,我们可以检测并修复计算机可能存在的错误)。

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c.内核引导
当用户选择启动Linux操作系统后,GRUB会根据/boot/grub.conf配置文件中所设置的信息,从/boot/所在的分区上读取Linux内核映像,然后把内核映像加载到内存中并把控制权交给Linux内核。Linux内核获得控制权后,将会按以下步骤继续引导系统。
(1)内核映像首先会检测系统中的硬件设备,包括内存、CPU、硬盘等,对这些设备进行初始化并配置。
(2)内核映像是经过压缩的,接下来它要对自身进行解压,同时加载必要的设备驱动。
(3)初始化与文件系统相关的虚拟设备,如LVM或者软件RAID等。
(4)装载根文件系统(/),把根文件系统挂载到根目录下。
(5)完成引导后,Linux内核会在其进程空间内加载init程序,并把控制器交给init进程,由init进程继续完成接下来的系统引导工作。


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B 运行init进程

init进程是系统所有进程的起点,内核在完成核内引导以后,即在本进程空间内加载init程序,它的进程是1。init进程是所有进程的发起者和控制者。因为在任何基于Linux的系统中,它都是第一个运行的进程,所以init进程的编号(PID)永远是1。

init进程有以下两个作用。

init进程的第一个作用是扮演终结父进程的角色。因为init进程永远不会被终止,所以系统总是可以确信它的存在,并在必要的时候以它为参照。如果某个进程在它衍生出来的全部子进程结束之前被终止,就会出现必须以init为参照的情况。此时那些失去了父进程的子进程就都会以init作为它们的父进程。

init的第二个作用是在进入某个特定的运行级别时运行相应的程序,以此对各种运行级别进行管理。它的这个作用是由/etc/inittab文件定义的。

init的工作是根据/etc/inittab来执行相应的脚本,进行系统初始化,如设置键盘、字体、装载模块,设置网络等。


init 进程是系统所有进程的起点,相当于系统所有进程的根进程,没有这个进程,系统中任何进程都不会启动。init 程序首先是需要读取配置文件 /etc/inittab。inittab是一个不可执行的文本文件,它有若干行指令所组成。具体内容如下(你可以在你的linux上执行命令 cat /etc/inittab 这样获得)

# inittab       This file describes how the INIT process should set up
#               the system in a certain run-level.
#
# Author:       Miquel van Smoorenburg,
#               Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes
#
# Default runlevel. The runlevels used by RHS 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 havenetworking)
#   3 - Full multiuser mode
#   4 - unused
#   5 - X11
#   6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
#
###表示当前缺省运行级别为5(initdefault);
id:5:initdefault:
###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)
# System initialization.
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
###当运行级别为5时,以5为参数运行/etc/rc.d/rc脚本,init将等待其返回(wait)
l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
###在启动过程中允许按CTRL-ALT-DELETE重启系统
# Trap CTRL-ALT-DELETE
ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
# When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes
# of power left.  Schedule a shutdown for 2 minutes from now.
# This does, of course, assume you have powerd installed and your
# UPS connected and working correctly.
pf::powerfail:/sbin/shutdown -f -h +2 "Power Failure; System Shutting Down"
# If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.
pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown -c "Power Restored; Shutdown Cancelled"
###在2、3、4、5级别上以ttyX为参数执行/sbin/mingetty程序,打开ttyX终端用于用户登录,
###如果进程退出则再次运行mingetty程序(respawn)
# Run gettys in standard runlevels
1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6
###在5级别上运行xdm程序,提供xdm图形方式登录界面,并在退出时重新执行(respawn)
# Run xdm in runlevel 5
x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon


对上面各项的详细解释如下:
1. id
  id是指入口标识符,它是一个字符串,对于getty或mingetty等其他login程序项,要求id与tty的编号相同,否则getty程序将不能正常工作。
2. Runlevel
runlevel是init所处于的运行级别的标识,一般使用0-6以及S或s。0、1、6运行级别被系统保留:其中0作为shutdown动作,1作为重启至单用户模式,6为重启;S和s意义相同,表示单用户模式,且无需inittab文件,因此也不在inittab中出现,实际上,进入单用户模式时,init直接在控制台(/dev/console)上运行/sbin/sulogin。在一般的系统实现中,都使用了2、3、4、5几个级别,在CentOS系统中,2表示无NFS支持的多用户模式,3表示完全多用户模式(也是最常用的级别),4保留给用户自定义,5表示XDM图形登录方式。7-9级别也是可以使用的,传统的Unix系统没有定义这几个级别。runlevel可以是并列的多个值,以匹配多个运行级别,对大多数action来说,仅当runlevel与当前运行级别匹配成功才会执行。
3. action
  action是描述其后的process的运行方式的。action可取的值包括:initdefault、sysinit、boot、bootwait等: initdefault是一个特殊的action值,用于标识缺省的启动级别;当init由核心激活以后,它将读取inittab中的initdefault项,取得其中的runlevel,并作为当前的运行级别。如果没有inittab文件,或者其中没有initdefault项,init将在控制台上请求输入runlevel。  sysinit、boot、bootwait等action将在系统启动时无条件运行,而忽略其中的runlevel。其余的action(不含initdefault)都与某个runlevel相关。各个action的定义在inittab的man手册中有详细的描述。
4. process
  process为具体的执行程序。程序后面可以带参数。 
Tips: 如果你看不懂这个文件,没有关系,随着你对linux的深入了解,你再回过头看这个文件你就会豁然开朗的。但是你现在必须要明白runlevel的各个级别的含义。

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C 系统初始化
1./etc/rc.d/rc.sysinit

在init的配置文件中有如下一行:
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

rc.sysinit是由init执行的第一个脚本,它主要完成一些系统初始化的工作。rc.sysinit是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本,它主要完成的工作有:激活交换分区、检查磁盘、加载硬件模块以及其他一些需要优先执行的任务。/etc/rc.d/ rc.sysinit主要完成各个运行模式中相同的初始化工作。包括:

设置初始的$PATH变量;
配置网络;
为虚拟内存启动交换;
调协系统的主机名;
检查root文件系统,以进行必要的修复;
检查root文件系统的配额;
为root文件系统打开用户和组的配额;
以读/写的方式重新装载root文件系统;
清除被装载的文件系统表/etc/mtab;
把root文件系统输入到mtab;
使系统为装入模块做准备;
查找模块的相关文件;
检查文件系统,以进行必要的修复;
加载所有其他文件系统;
清除/etc/mtab、/etc/fastboot和/etc/nologin;
删除UUCP和lock文件;
删除过时的子系统文件;
删除过时的pid文件;
设置系统时钟;
激活交换分区;
初始化串行端口;
装入模块。

 

2./etc/rc.d/rcX.d/[KS]

在rc.sysinit执行后,将返回init,继续执行/etc/rc.d/rc程序。以运行级别5为例,init将执行配置文件inittab中的以下内容:
15:5:wait:/etc/rc.d/rc 5

这一行表示以5为参数运行/etc/rc.d/rc,/etc/rc.d/rc是一个shell脚本,它接受5作为参数,去执行/etc/rc.d/rc5.d目录下的所有的rc启动脚本,/etc/rc.d/rc5.d目录中的启动脚本实际上都是一些链接文件,而不是真正的rc启动脚本,真正的rc启动脚本实际上都在/etc/rc.d/init.d目录下。而这些rc启动脚本有着类似的用法,它们一般能接受stat、stop、restart、status等参数。

/etc/rc.d/rc5.d中的rc启动脚本通常是以K或S开头的链接文件,以S开头的启动脚本将以start参数来运行。如果发现相应的脚本也存在K打头的链接,而且已经处于运行状态了(以/var/lock/subsys下的文件作为标志),则将首先以stop为参数停止这些已经启动了的守护进程,然后再重新运行。这样做是为了保证当init改变运行级别时,所有相关的守护进程都将重启。

至于在每个运行级中将运行哪些守护进程,用户可以通过chkconfig来自行设定。常见的守护进程如下。

amd:自动安装NFS守护进程。
apmd:高级电源管理守护进程。
arpwatch:记录日志并构建一个在LAN接口上看到的以太网地址和IP地址对应的数据库。
outofs:自动安装管理进程automount,与NFS相关,依赖于NIS。
crond:Linux系统下计划任务的守护进程。
named:DNS服务器。
netfs:安装NFS、Samba和Netware网络文件系统。
network:激活已配置网络接口的脚本程序。
nfs:打开NFS服务。
portmap:RPCportmap管理器,它管理基于RPC服务的连接。
sendmail:邮件服务器sendmail。
smb:Samba文件共享/打印服务。
syslog:一个让系统引导时启动syslog和klogd系统日志守候进程的脚本。
xfs:X Window字型服务器,为本地和远程X服务器提供字型集。
Xinetd:支持多种网络服务的核心守护进程,可以管理wuftp、sshd、telnet等服务。

这些守护进程启动完毕,rc程序也就执行完了,然后又返回init继续下一步。

 

3.执行/etc/ec.d/rc.local

RHEL 4中的运行模式2、3、5都把/etc/rc.d/rc.local做为初始化脚本中的最后一个,所以用户可以自己在这个文件中添加一些需要在其他初始化工作之后、登录之前执行的命令。在维护Linux系统时一般会遇到需要系统管理员对开机或关机命令脚本进行修改的情况。如果所做的修改只在引导开机的时候起作用,并且改动不大的话,可以考虑简单地编辑一下/etc/rc.d/rc.local脚本。这个命令脚本程序是在引导过程的最后一步被执行的。

#################删除###############################
在init的配置文件中有这么一行: si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit 它调用执行了/etc/rc.d/rc.sysinit,而rc.sysinit是一个bash shell的脚本,它主要是完成一些系统初始化的工作,rc.sysinit是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。它主要完成的工作有:激活交换分区,检查磁盘,加载硬件模块以及其它一些需要优先执行任务。
rc.sysinit约有850多行,但是每个单一的功能还是比较简单,而且带有注释,建议有兴趣的用户可以自行阅读自己机器上的该文件,以了解系统初始化所详细情况。由于此文件较长,所以不在本文中列出来,也不做具体的介绍。当rc.sysinit程序执行完毕后,将返回init继续下一步。通常接下来会执行到/etc/rc.d/rc程序。以运行级别3为例,init将执行配置文件inittab中的以下这行:
  l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
这一行表示以5为参数运行/etc/rc.d/rc,/etc/rc.d/rc是一个Shell脚本,它接受5作为参数,去执行/etc/rc.d/rc5.d/目录下的所有的rc启动脚本,/etc/rc.d/rc5.d/目录中的这些启动脚本实际上都是一些连接文件,而不是真正的rc启动脚本,真正的rc启动脚本实际上都是放在/etc/rc.d/init.d/目录下。而这些rc启动脚本有着类似的用法,它们一般能接受start、stop、restart、status等参数。
/etc/rc.d/rc5.d/中的rc启动脚本通常是K或S开头的连接文件,对于以以S开头的启动脚本,将以start参数来运行。而如果发现存在相应的脚本也存在K打头的连接,而且已经处于运行态了(以/var/lock/subsys/下的文件作为标志),则将首先以stop为参数停止这些已经启动了的守护进程,然后再重新运行。这样做是为了保证是当init改变运行级别时,所有相关的守护进程都将重启。
至于在每个运行级中将运行哪些守护进程,用户可以通过chkconfig或setup中的"System Services"来自行设定。
#################删除###############################


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D 建立终端
rc执行完毕后,返回init。这时基本系统环境已经设置好了,各种守护进程也已经启动了。init接下来会打开6个终端,以便用户登录系统。在inittab中的以下6行就是定义了6个终端:
  1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1
  2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2
  3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3
  4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4
  5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5
  6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6

从上面可以看出在2、3、4、5的运行级别中都将以respawn方式运行mingetty程序,mingetty程序能打开终端、设置模式。同时它会显示一个文本登录界面,这个界面就是我们经常看到的登录界面,在这个登录界面中会提示用户输入用户名,而用户输入的用户将作为参数传给login程序来验
证用户的身份。

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E 用户登录系统

对于运行级别为5的图形方式用户来说,他们的登录是通过一个图形化的登录界面。登录成功后可以直接进入KDE、Gnome等窗口管理器。而本文主要讲的还是文本方式登录的情况:当我们看到mingetty的登录界面时,我们就可以输入用户名和密码来登录系统了。
Linux的账号验证程序是login,login会接收mingetty传来的用户名作为用户名参数。然后login会对用户名进行分析:如果用户名不是root,且存在/etc/nologin文件,login将输出nologin文件的内容,然后退出。这通常用来系统维护时防止非root用户登录。只有/etc/securetty中登记了的终端才允许root用户登录,如果不存在这个文件,则root可以在任何终端上登录。/etc/usertty文件用于对用户作出附加访问限制,如果不存在这个文件,则没有其他限制。
在分析完用户名后,login将搜索/etc/passwd以及/etc/shadow来验证密码以及设置账户的其它信息,比如:主目录是什么、使用何种shell。如果没有指定主目录,将默认为根目录;如果没有指定shell,将默认为/bin/bash。
login程序成功后,会向对应的终端在输出最近一次登录的信息(在/var/log/lastlog中有记录),并检查用户是否有新邮件(在/usr/spool/mail/的对应用户名目录下)。然后开始设置各种环境变量:对于bash来说,系统首先寻找/etc/profile脚本文件,并执行它;然后如果用户的主目录中存在.bash_profile文件,就执行它,在这些文件中又可能调用了其它配置文件,所有的配置文件执行后后,各种环境变量也设好了,这时会出现大家熟悉的命令行提示符,到此整个启动过程就结束了。