linux开机引导和启动过程(详细)(含配置文件解读)

过程概述

1. BIOS加电自检
2. 加载MBR中的Bootloader
3. 加载内核，初始化initrd
4. 加载父进程，执行初始化程序
5. 打开终端

BIOS开机加电自检

BIOS(基本输入输出系统)，该系统存储于主板的ROM芯片上，计算机在开机时，会最先读取该系统，然后会有一个加电自检过程。这个过程其实就是检查CPU和内存，计算机最基本的组成单元(控制器、运算器和存储器)，还会检查其他硬件，若没有异常就开始加载BIOS程序到内存当中。BIOS的功能大概可以分为3个部分:

1. 用于电脑刚接通电源时对硬件部分的检测，也叫做加电自检（Power On Self Test，简称POST）。功能是检查电脑是否良好，通常完整的POST自检将包括对CPU，640K基本内存，1M以上的扩展内存，ROM，主板，CMOS存储器，串并口，显示卡，软硬盘子系统及键盘进行测试，一旦在自检中发现问题，系统将给出提示信息或鸣笛警告。自检中如发现有错误，将按两种情况处理：

   • 对于严重故障（致命性故障）则停机，此时由于各种初始化操作还没完成，不能给出任何提示或信号；
   • 对于非严重故障则给出提示或声音报警信号，等待用户处理。

2. 初始化硬件(这个玩过开发板的应该都很清楚)。包括创建中断向量、设置寄存器、对一些外部设备进行初始化和检测等，其中很重要的一部分是BIOS设置，主要是对硬件设置的一些参数，当电脑启动时会读取这些参数，并和实际硬件设置进行比较，如果不符合，会影响系统的启动。

3. 引导操作系统程序。BIOS会按照硬盘的引导记录去查找第一个磁盘头的MBR信息，并加载和执行MBR中的Bootloader程序，若第一个磁盘不存在MBR，则会继续查找第二个磁盘(启动顺序可以在BIOS的界面中进行设置)，一旦BootLoader程序被检测并加载内存中，BIOS就将控制权交接给了BootLoader程序(控制权交接其实就是指CPU跳转到Bootloader程序的内存位置执行)

加载MBR中的BootLoader

MBR(Master Boot Record)主引导记录，MBR存储于磁盘的头部，大小为512 bytes，组成为:[446 bytes(存储BootLoader程序)+64 bytes(存储分区表信息)+2 bytes(用于MBR的有效性检查)]。

这个部分就需要分为3个阶段来执行了:

Stage_1

BIOS加载它找到的第一个引导记录(MBR)中到内存中，并开始执行此代码。Bootloader必须非常小，因为它必须连同分区表放到硬盘的第一个 512 字节的扇区中。 在传统的常规 MBR 中，引导代码实际所占用的空间大小为 446 字节。这个MBR中这个 446 字节的文件通常被叫做引导镜像（boot.img），其中不包含设备的分区信息，分区是一般单独添加到引导记录中。

Stage_1.5

由于boot.img必须做的非常小，所以基本不可能有太多复杂的功能，他唯一能做的就是加载Stage_1.5中的存储的代码，也就是core.img($25389$字节)。该文件通常位于MBR与第一个分区之间，也就是$0\sim63$扇区之间(未包括$63$)，总大小为$62*512=31744$字节。这个文件，存放了一些通用的文件系统驱动程序，如标准的 EXT 和其它的 Linux 文件系统，如 FAT 和 NTFS 等。所以这阶段就是负责执行Stage_1.5中存放的驱动程序，并加载相关的驱动程序。

Grub2 的 core.img 远比老一版的 Grub1 更复杂且更强大。这意味着 Grub2 的core.img 能够放在标准的EXT 文件系统内，但是不能放在逻辑卷内。故在Grub2中，Stage_1.5中的文件可以存放于 /boot 文件系统中，一般在 /boot/grub2 目录下。

Stage_2

进入Stage_2时，所有的文件(内核、initrd等)都已存放于/boot目录及其几个子目录之下。同时，该阶段还可以从 /boot/grub2/i386-pc 目录下加载一些内核运行时模块。所以Stage_2的主要功能是定位和加载 Linux 内核和initrd到内存中，并转移控制权。

关于Grub2

在linux启动时按下C即可进入Grub2的命令行模式，这里你可以自己手动引导内核和initrd的加载。关于手动引导的相关操作，可以自行百度。这里我们重点来看下配置文件/boot/grub2/grub.cfg,这里有篇文章已经说得很详细，这里就直接与大家分享了:

• GRUB2配置文件"grub.cfg"详解
• grub2基础教程-修订版(谷歌文档)

加载内核并初始化initrd

由于Linux内核是很精简的，只保留必要的驱动程序，而现实中的设备种类繁多，例如:根文件系统可以存储在包括IDE、SCSI、USB在内的多种介质上，如果将这些设备的驱动都编译进内核那该多么臃肿，所以就干脆将设备特有的驱动与内核分离，单独形成initrd(一般自己编译的系统不需要，发行版需要兼容所以会需要)。需要哪种驱动就提取到initrd中，待启动时提前加载即可。所以内核启动一般分两步:

初始化initrd

在 linux内核启动前， bootloader会将存储介质中的 initrd 文件加载到内存，内核启动时会在访问真正的根文件系统前先访问该内存中的 initrd 文件系统，这个过程将会完成相关驱动模块的加载，最主要就是加载根文件系统存储介质的驱动模块等，这样内核就可以正常识别设备和真正的根文件系统了。

initrd( boot loader initialized RAM disk)，就是由 bootloader 初始化的内存盘，算是一个很mini版的文件系统。

启动内核

之后，内核会以只读方式挂载根文件系统，当根文件系统被挂载后，开始装载第一个进程(用户空间的进程)，执行/sbin/init，之后就将控制权交接给了init程序。如果是使用systemd的话，则是加载systemd进程到内存中。

初始化系统

这一节呢，我们分为两个init系统来叙述:

Sysvinit系统

sysvinit 就是 System V 风格的 init 系统，顾名思义，它源于 System V 系列的 UNIX。最初的 linux 发行版几乎都是采用 sysvinit 作为 init 系统。sysvinit 用术语 runlevel 来定义 “预订的运行模式”。比如

• runlevel 3 是命令行模式，
• runlevel 5 是图形界面模式，
• runlevel 0 是关机，
• runlevel 6 是重启。

这个初始化系统的涉及到的配置文件如下(按init进程读先后顺序):

/etc/inittab

####省去多余注释#######
###表示当前缺省运行级别为5(initdefault)，即默认以图形界面启动

id:5:initdefault:
###启动时自动执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(sysinit)

# 这一项表示在系统启动时执行/etc/rc.d/rc.sysinit程序
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
# 当切换到runlevel3(命令行模式时)，执行一下/etc/rc.d/rc这个程序，并传递参数3
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
#这个就是同时匹配多个runlevel
l6:23456:wait:/etc/rc.d/rc 6

每个配置项格式如下:

$id:runlevel:action:process$

各项含义如下:

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.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

   • 0：表示关机
   • 1：表示单用户模式，在这个模式中，用户登录不需要密码，默认网卡驱动是不被加载，一些服务不能用。
   • 2：表示多用户模式，NFS服务不开启
   • 3：表示命令行模式
   • 4：这个模式保留未用
   • 5：表示图形用户模式
   • 6：表示重启系统

3. action

   • respawn：当process终止后马上启动一个新的
   • wait：当进入指定的runlevels后process才会启动一次，并且到离开这个runlevels终止
   • initdefault：设定默认的运行级别，即我们开机之后默认进入的运行级别，不能是0,6，你懂的
   • sysinit：系统初始化，只有系统开机或重新启动的时候，这个process才会被执行一次
   • powerwait：当init接收到电源失败信号的时候执行相应的process，并且如果init有进程在运行，会等待这个进程完成之后，再执行相应的process
   • powerfail：当init接收到电源失败信号的时候执行相应的process，并且如果init有进程在运行，不会等待这个进程完成，它会直接执行相应的process
   • powerokwait：电源已经故障，但是在等待执行对应操作的时候突然来电了就执行对应的process
   • powerfailnow：当电源故障并且init被通知UPS电源已经快耗尽执行相对应的process
   • ctrlaltdel：当用户按下ctrl+alt+del这个组合键的时候执行对应的process
   • boot：只有在引导过程中，才执行该进程，但不等待该进程的结束；当该进程死亡时，也不重新启动该进程
   • bootwait：只有在引导过程中，才执行该进程，并等待进程的结束；当该进程死亡时，也不重新启动该进程
   • off：如果process正在运行，那么就发出一个警告信号，等待20秒后，再通过杀死信号强行终止该process。如果process并不存在那么就忽略该登记项
   • once：启动相应的进程，但不等待该进程结束便继续处理/etc/inittab文件中的下一个登记项；当该进程死亡时，init也不重新启动该进程

4. process

   表示启动哪个程序或脚本或执行哪个命令

/etc/rc.d/rc.sysinit

所有的运行级别下，init依赖/etc/rc.d/rc.sysinit这个脚本对系统进行初始化。按照下面的顺序按部就班的初始化系统：

• 激活 udev 和 selinux
• 设置定义在 /etc/sysctl.conf中的内核参数
• 设置系统时钟
• 加载 keymaps
• 启用交换分区
• 设置主机名(hostname)
• 根分区检查和 remount
• 激活 RAID 和 LVM 设备
• 开启磁盘配额
• 检查并挂载所有文件系统
• 清除过期的 locks 和 PID 文件
• 最后找到指定 runlevel 下的脚本并执行，其实就是启动服务。

/etc/rc.d/rc

这个程序就是根据传入的参数，调用/etc/rc.d/rc0.d~rc6.d中的相应的脚本程序，来完成相应的初始化工作和启动相应的服务,最后调用/etc/rc.d/rc.local,这个文件里面可以放一些用户自定义的启动脚本等等

Systemd系统

systemd 是 linux 系统中最新的初始化系统(init)，它主要的设计目标是克服 sysvinit 固有的缺点，提高系统的启动速度。

在开始看Systemd进程做的事情之前，请先了解一下开机启动脚本的编写和选项含义，这里直接推荐一篇不错的文章:编写systemd下服务脚本。新旧系统运行等级映射关系如下:

SystemV 运行级别	systemd 目标态	systemd 目标态别名	描述
	halt.target		停止系统运行但不切断电源。
0	poweroff.target	runlevel0.target	停止系统运行并切断电源.
S	emergency.target		单用户模式，没有服务进程运行，文件系统也没挂载。这是一个最基本的运行级别，仅在主控制台上提供一个 shell 用于用户与系统进行交互。
1	rescue.target	runlevel1.target	挂载了文件系统，仅运行了最基本的服务进程的基本系统，并在主控制台启动了一个 shell 访问入口用于诊断。
2		runlevel2.target	多用户，没有挂载 NFS 文件系统，但是所有的非图形界面的服务进程已经运行。
3	multi-user.target	runlevel3.target	所有服务都已运行，但只支持命令行接口访问。
4		runlevel4.target	未使用。
5	graphical.target	runlevel5.target	多用户，且支持图形界面接口。
6	reboot.target	runlevel6.target	重启。
	default.target		这个目标态target是总是 multi-user.target或 graphical.target 的一个符号链接的别名。systemd 总是通过 default.target 启动系统。default.target 绝不应该指向halt.target、poweroff.target 或 reboot.target。

Systemd进程在被加载到内后，将依次执行五个目标:

1. /usr/lib/systemd/system/default.target,这个文件链接到当前目录的graphical.target

[Unit]
Description=Graphical Interface
Documentation=man:systemd.special(7)
Requires=multi-user.target
Wants=display-manager.service
Conflicts=rescue.service rescue.target
After=multi-user.target rescue.service rescue.target display-manager.service
AllowIsolate=yes

2. 根据上一步中可以看到default.target强依赖于multi-user.target，所以接下来这步就要执行如下两个目录中的目标了:

• /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/
• /usr/lib/systemd/system/multi-user.target.wants/

大部分的用户程序的目标都在这两个目录下有配置，在这步就一并启动了

#/usr/lib/systemd/system/multi-user.target.wants/multi-user.target
[Unit]
Description=Multi-User System
Documentation=man:systemd.special(7)
Requires=basic.target
Conflicts=rescue.service rescue.target
After=basic.target rescue.service rescue.target
AllowIsolate=yes

3. 接下来到了basic.target目标了，内容如下:

• /etc/systemd/system/basic.target.wants/
• /usr/lib/systemd/system/basic.target.wants/

#/usr/lib/systemd/system/multi-user.target.wants/basic.target
[Unit]
Description=Basic System
Documentation=man:systemd.special(7)

Requires=sysinit.target
After=sysinit.target
Wants=sockets.target timers.target paths.target slices.target
After=sockets.target paths.target slices.target

4. sysinit.target会启动重要的系统服务例如系统挂载，内存交换空间和设备，内核补充选项.

• /etc/systemd/system/sysinit.target.wants/
• /usr/lib/systemd/system/sysinit.target.wants/

[Unit]
Description=System Initialization
Documentation=man:systemd.special(7)
Conflicts=emergency.service emergency.target
Wants=local-fs.target swap.target
After=local-fs.target swap.target emergency.service emergency.target

5. 然后是最后一个目标local-fs.target,它不会启动用户相关服务，它只处理底层核心服务，这个target会根据/etc/fstab来执行相关磁盘挂载操作

Systemd系统服务配置修改

• /usr/lib/systemd/system/xx服务.service：官方默认配置文件，不建议修改这个位置的文件，而应该像下面这项这样操作；
• /etc/systemd/system/xx服务.service.d/custom.conf：在 /etc/systemd/system 下面创建与配置文件相同文件名的目录，但是要加上 .d 的扩展名。然后在该目录下创建配置文件即可。另外，配置文件最好附文件名取名为 .conf。 在这个目录下的文件配置会合并到 /usr/lib/systemd/system/xx服务.service 。
• /etc/systemd/system/xx服务.service.wants/*：此目录内的文件为链接文件，设置相依服务的链接。意思是启动了 xx服务.service 之后，最好再加上这目录下面建议的服务。
• /etc/systemd/system/xx服务.service.requires/*：此目录内的文件为链接文件，设置相依服务的链接。意思是在启动 xx服务.service 之前，需要事先启动哪些服务的意思。

打开终端

sysvinit系统

在sysvinit系统中，由于/etc/inittab中的配置如下:

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
# 只有我们进入5运行级别，会打开图形用户终端，并且一旦终端终止，就会再创建一个新的
x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon

在2345运行级别下，会调用/sbin/mingetty启用6个命令行界面的终端，并且一旦终端终止，就会再创建一个新的。

Systemd系统

在上面初始化的第1步中等待了display-manager.service这个服务就是用于启动终端界面的，内容如下:

[Service]
ExecStart=/usr/sbin/gdm
ExecStartPost=-/bin/bash -c "TERM=linux /usr/bin/clear > /dev/tty1"
KillMode=mixed
Restart=always
IgnoreSIGPIPE=no
BusName=org.gnome.DisplayManager
StandardOutput=syslog
StandardError=inherit
EnvironmentFile=-/etc/locale.conf
ExecReload=/bin/kill -SIGHUP $MAINPID

[Install]
Alias=display-manager.service