作者：wjlkoorey258

原文链接：http://t.cn/RLw1nsg

经过对 Linux 系统有了一定了解和熟悉后，想对其更深层次的东西做进一步探究。这当中就包括系统的启动流程、文件系统的组成结构、基于动态库和静态库的程序在执行时的异同、协议栈的架构和原理、驱动程序的机制等等。

本人在综合了现有网上大家智慧的基础上，结合对 Linux 2.6.32 的内核代码的研读，基于 CentOS  系统对 Linux 的启动流程做了些分析。由于才疏学浅，知识所限，有些地方分析不妥之处还请各位高手不吝赐教。

OK，我们言归正传。对于一台安装了 Linux 系统的主机来说，当用户按下开机按钮时，一共要经历以下几个过程，如图：

其中，每个过程都执行了自己该做的初始化部分的事情，有些过程又可分为好几个子过程。接下来，我们就对每个阶段做一个详细分析和讲解。

稍有计算机基础的人都应该听过 BIOS(Basic Input / Output System)，又称基本输入输出系统，可以视为是一个永久地记录在 ROM 中的一个软件，是操作系统输入输出管理系统的一部分。早期的 BIOS 芯片确实是” 只读” 的，里面的内容是用一种烧录器写入的，一旦写入就不能更改，除非更换芯片。现在的主机板都使用一种叫 Flash EPROM 的芯片来存储系统 BIOS，里面的内容可通过使用主板厂商提供的擦写程序擦除后重新写入，这样就给用户升级 BIOS 提供了极大的方便。

BIOS 的功能由两部分组成，分别是 POST 码和 Runtime 服务。POST 阶段完成后它将从存储器中被清除，而 Runtime 服务会被一直保留，用于目标操作系统的启动。BIOS 两个阶段所做的详细工作如下：

步骤 1：上电自检 POST(Power-on self test)，主要负责检测系统外围关键设备（如：CPU、内存、显卡、I/O、键盘鼠标等）是否正常。例如，最常见的是内存松动的情况，BIOS 自检阶段会报错，系统就无法启动起来；

步骤 2：步骤 1 成功后，便会执行一段小程序用来枚举本地设备并对其初始化。这一步主要是根据我们在 BIOS 中设置的系统启动顺序来搜索用于启动系统的驱动器，如硬盘、光盘、U 盘、软盘和网络等。我们以硬盘启动为例，BIOS 此时去读取硬盘驱动器的第一个扇区 (MBR，512 字节)，然后执行里面的代码。实际上这里 BIOS 并不关心启动设备第一个扇区中是什么内容，它只是负责读取该扇区内容、并执行。

至此，BIOS 的任务就完成了，此后将系统启动的控制权移交到 MBR 部分的代码。

PS: 在个人电脑中，Linux 的启动是从 0xFFFF0 地址开始的。

我们首先来了解一下 MBR，它是 Master Boot Record 的缩写。硬盘的 0 柱面、0 磁头、1 扇区称为主引导扇区。它由三个部分组成，主引导程序 (Bootloader)、 硬盘分区表 DPT（Disk Partition table）和硬盘有效标志（55AA），其结构图如下所示：

磁盘分区表包含以下三部分：

1）、Partition ID  （5：延申  82：Swap   83：Linux   8e：LVM     fd：RAID）

2）、Partition 起始磁柱

3）、Partition 的磁柱数量

通常情况下，诸如 lilo、grub 这些常见的引导程序都直接安装在 MBR 中。我们以 grub 为例来分析这个引导过程。

grub 引导也分为两个阶段 stage1 阶段和 stage2 阶段 (有些较新的 grub 又定义了 stage1.5 阶段)。

1)、stage1：stage1 是直接被写入到 MBR 中去的，这样机器一启动检测完硬件后，就将控制权交给了 GRUB 的代码。也就是上图所看到的前 446 个字节空间中存放的是 stage1 的代码。BIOS 将 stage1 载入内存中 0x7c00 处并跳转执行。stage1（/stage1/start.S）的任务非常单纯，仅仅是将硬盘 0 头 0 道 2 扇区读入内存。而 0 头 0 道 2 扇区内容是源代码中的 / stage2/start.S，编译后 512 字节，它是 stage2 或者 stage1_5 的入口。而此时，stage1 是没有识别文件系统的能力的。如果感觉脑子有些晕了，那么下面的过程就直接跳过，去看 stage2 吧！

【外传】定位硬盘的 0 头 0 道 2 扇区的过程：

BIOS 将 stage1 载入内存 0x7c00 处并执行，然后调用 BIOS INIT13 中断，将硬盘 0 头 0 道 2 扇区内容载入内存 0x7000 处，然后调用 copy_buffer 将其转移到内存 0x8000 处。在定位 0 头 0 道 2 扇区时通常有两种寻址方式：LBA 和 CHS。如果你是刨根问底儿型的爱好者，那么此时去找谷哥打听打听这两种方式的来龙去脉吧。

2)、stage2：严格来说这里还应该再区分个 stage1.5 的，就一并把 stage1.5 放在这里一起介绍了，免得大家看得心里乱哄哄的。好的，我们继续说 0 头 0 到 2 扇区的 / stage2/start.S 文件，当它的内容被读入到内存之后，它的主要作用就是负责将 stage2 或 stage1.5 从硬盘读到内存中。如果是 stage2，它将被载入到 0x820 处；如果是 stage1.5，它将被载入到 0x2200 处。这里的 stage2 或者 stage1_5 不是 / boot 分区 / boot/grub 目录下的文件，因为这个时候 grub 还没有能力识别任何文件系统。

如果 start.S 加载 stage1.5：stage1.5 它存放在硬盘 0 头 0 道 3 扇区向后的位置，stage1_5 作为 stage1 和 stage2 中间的桥梁，stage1_5 有识别文件系统的能力，此后 grub 才有能力去访问 / boot 分区 / boot/grub 目录下的 stage2 文件，将 stage2 载入内存并执行。

如果 start.S 加载 stage2：同样，这个 stage2 也不是 / boot 分区 / boot/grub 目录下的 stage2，这个时候 start.S 读取的是存放在 / boot 分区 Boot Sector 的 stage2。这种情况下就有一个限制：因为 start.S 通过 BIOS 中断方式直接对硬盘寻址（而非通过访问具体的文件系统），其寻址范围有限，限制在 8GB 以内。因此这种情况需要将 / boot 分区分在硬盘 8GB 寻址空间之前。

假如是情形 2，我们将 / boot/grub 目录下的内容清空，依然能成功启动 grub；假如是情形 1，将 / boot/grub 目录下 stage2 删除后，则系统启动过程中 grub 会启动失败。

当 stage2 被载入内存执行时，它首先会去解析 grub 的配置文件 / boot/grub/grub.conf，然后加载内核镜像到内存中，并将控制权转交给内核。而内核会立即初始化系统中各设备并做相关的配置工作，其中包括 CPU、I/O、存储设备等。

关于 Linux 的设备驱动程序的加载，有一部分驱动程序直接被编译进内核镜像中，另一部分驱动程序则是以模块的形式放在 initrd(ramdisk) 中。

Linux 内核需要适应多种不同的硬件架构，但是将所有的硬件驱动编入内核又是不实际的，而且内核也不可能每新出一种硬件结构，就将该硬件的设备驱动写入内核。实际上 Linux 的内核镜像仅是包含了基本的硬件驱动，在系统安装过程中会检测系统硬件信息，根据安装信息和系统硬件信息将一部分设备驱动写入 initrd 。这样在以后启动系统时，一部分设备驱动就放在 initrd 中来加载。这里有必要给大家再多介绍一下 initrd 这个东东：

initrd 的英文含义是 bootloader initialized RAM disk，就是由 boot loader 初始化的内存盘。在 linu2.6 内核启动前，boot loader 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。在 boot loader 配置了 initrd 的情况下，内核启动被分成了两个阶段，第一阶段先执行 initrd 文件系统中的 init，完成加载驱动模块等任务，第二阶段才会执行真正的根文件系统中的 /sbin/init 进程。

initramfs 是在 kernel 2.5 中引入的技术，实际上它的含义就是：在内核镜像中附加一个 cpio 包，这个 cpio 包中包含了一个小型的文件系统，当内核启动时，内核将这个 cpio 包解开，并且将其中包含的文件系统释放到 rootfs 中，内核中的一部分初始化代码会放到这个文件系统中，作为用户层进程来执行。这样带来的明显的好处是精简了内核的初始化代码，而且使得内核的初始化过程更容易定制。

疑惑的是：我的内核是 2.6.32-71.el6.i686 版本，但在我的 / boot 分区下面却存在的是 / boot/initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img 类型的文件，没搞明白，还望高人解惑。我只知道在 2.6 内核中支持两种格式的 initrd，一种是 2.4 内核的文件系统镜像 image-initrd，一种是 cpio 格式。接下来我们就来探究一下 initramfs-2.6.32-71.el6.i686.img 里到底放了那些东西。

在 tmp 文件夹中解压 initrd.img 里的内容：

如果 initrd.img 文件的格式显示为 “initrd.img:ISO 9660 CD-ROM filesystem data”，则可直接输入命令 “mount -o loop initrd.img /mnt/test” 进行挂载。

通过上的分析和我们的验证，我们确实得到了这样的结论：

grub 的 stage2 将 initrd 加载到内存里，让后将其中的内容释放到内容中，内核便去执行 initrd 中的 init 脚本，这时内核将控制权交给了 init 文件处理。我们简单浏览一下 init 脚本的内容，发现它也主要是加载各种存储介质相关的设备驱动程序。当所需的驱动程序加载完后，会创建一个根设备，然后将根文件系统 rootfs 以只读的方式挂载。这一步结束后，释放未使用的内存，转换到真正的根文件系统上面去，同时运行 / sbin/init 程序，执行系统的 1 号进程。此后系统的控制权就全权交给 / sbin/init 进程了。

经过千辛万苦的跋涉，我们终于接近黎明的曙光了。接下来就是最后一步了：初始化系统。/sbin/init 进程是系统其他所有进程的父进程，当它接管了系统的控制权先之后，它首先会去读取 / etc/inittab 文件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。主要包括以下工作：

1)、执行系统初始化脚本 (/etc/rc.d/rc.sysinit)，对系统进行基本的配置，以读写方式挂载根文件系统及其它文件系统，到此系统算是基本运行起来了，后面需要进行运行级别的确定及相应服务的启动。rc.sysinit 所做的事情 (不同的 Linux 发行版，该文件可能有些差异) 如下：

（1）获取网络环境与主机类型。首先会读取网络环境设置文件”/etc/sysconfig/network”，获取主机名称与默认网关等网络环境。

（2）测试与载入内存设备 / proc 及 usb 设备 / sys。除了 / proc 外，系统会主动检测是否有 usb 设备，并主动加载 usb 驱动，尝试载入 usb 文件系统。

（3）决定是否启动 SELinux。

（4）接口设备的检测与即插即用（pnp）参数的测试。

（5）用户自定义模块的加载。用户可以再”/etc/sysconfig/modules/*.modules” 加入自定义的模块，此时会加载到系统中。

（6）加载核心的相关设置。按”/etc/sysctl.conf” 这个文件的设置值配置功能。

（7）设置系统时间（clock）。

（8）设置终端的控制台的字形。

（9）设置 raid 及 LVM 等硬盘功能。

（10）以方式查看检验磁盘文件系统。

（11）进行磁盘配额 quota 的转换。

（12）重新以读取模式载入系统磁盘。

（13）启动 quota 功能。

（14）启动系统随机数设备（产生随机数功能）。

（15）清楚启动过程中的临时文件。

（16）将启动信息加载到”/var/log/dmesg” 文件中。

当 / etc/rc.d/rc.sysinit 执行完后，系统就可以顺利工作了，只是还需要启动系统所需要的各种服务，这样主机才可以提供相关的网络和主机功能，因此便会执行下面的脚本。

2)、执行 / etc/rc.d/rc 脚本。该文件定义了服务启动的顺序是先 K 后 S，而具体的每个运行级别的服务状态是放在 / etc/rc.d/rc*.d（*=0~6）目录下，所有的文件均是指向 / etc/init.d 下相应文件的符号链接。rc.sysinit 通过分析 / etc/inittab 文件来确定系统的启动级别，然后才去执行 / etc/rc.d/rc*.d 下的文件。

/etc/init.d-> /etc/rc.d/init.d

/etc/rc ->/etc/rc.d/rc

/etc/rc*.d ->/etc/rc.d/rc*.d

/etc/rc.local-> /etc/rc.d/rc.local

/etc/rc.sysinit-> /etc/rc.d/rc.sysinit

也就是说，/etc 目录下的 init.d、rc、rc*.d、rc.local 和 rc.sysinit 均是指向 / etc/rc.d 目录下相应文件和文件夹的符号链接。我们以启动级别 3 为例来简要说明一下。

/etc/rc.d/rc3.d 目录，该目录下的内容全部都是以 S 或 K 开头的链接文件，都链接到”/etc/rc.d/init.d” 目录下的各种 shell 脚本。S 表示的是启动时需要 start 的服务内容，K 表示关机时需要关闭的服务内容。/etc/rc.d/rc*.d 中的系统服务会在系统后台启动，如果要对某个运行级别中的服务进行更具体的定制，通过 chkconfig 命令来操作，或者通过 setup、ntsys、system-config-services 来进行定制。如果我们需要自己增加启动的内容，可以在 init.d 目录中增加相关的 shell 脚本，然后在 rc*.d 目录中建立链接文件指向该 shell 脚本。这些 shell 脚本的启动或结束顺序是由 S 或 K 字母后面的数字决定，数字越小的脚本越先执行。例如，/etc/rc.d/rc3.d /S01sysstat 就比 / etc/rc.d/rc3.d /S99local 先执行。

3)、执行用户自定义引导程序 / etc/rc.d/rc.local。其实当执行 / etc/rc.d/rc3.d/S99local 时，它就是在执行 / etc/rc.d/rc.local。S99local 是指向 rc.local 的符号链接。就是一般来说，自定义的程序不需要执行上面所说的繁琐的建立 shell 增加链接文件的步骤，只需要将命令放在 rc.local 里面就可以了，这个 shell 脚本就是保留给用户自定义启动内容的。

4)、完成了系统所有的启动任务后，linux 会启动终端或 X-Window 来等待用户登录。tty1,tty2,tty3… 这表示在运行等级 1，2，3，4 的时候，都会执行”/sbin/mingetty”，而且执行了 6 个，所以 linux 会有 6 个纯文本终端，mingetty 就是启动终端的命令。

除了这 6 个之外还会执行”/etc/X11/prefdm-nodaemon” 这个主要启动 X-Window

至此，系统就启动完毕了。以上分析不到的地方还请各位大虾不吝指正。

关于 Linux 的其他分析内容下次再继续写。

最后附上一张非常完整的系统启动流程图，适合各个水平阶段的读者。