Linux的启动流程(CentOS 6)

前言

   Linux启动的过程在实际生产中有着至关重要的作用。试想一下，如果我们在实际生产中服务器因为某一个服务出了问题，而不能启动，这时我们应该怎么办。如果我们了解Linux的详细启动过程，知道是在哪一个环节出了问题，我们就能够进入到相应的环节，排除掉相应的问题，从而解决实际生产中的问题。

   同时，我们在这里提出一个问题，有谁知道Windows的启动过程呢？如果启动过程出了问题，我们该怎么办呢？恐怕答案只有重启系统了吧……

   Linux 系统的启动过程对于管理员来说是完全透明的，了解了Linux的启动过程，就好像有了透视眼一样，能够清楚的了解Linux的一切。知道了这些，不仅能够解决实际生产中的问题，更能够自己来制作Linux，自己定制Linux了，总之Linux大法好……

写在前面（最重要）

本文部分资料参考了以下博文。

1. Linux Booting Process steps – RHEL/CentOS 7
2. http://www.linuxidc.com/Linux/2014-03/97862.htm
3. http://www.cnblogs.com/zengkefu/p/5559058.html

先来看一张图

可以图片上点击右键，选择在新的标签页中打开，这样可以查看大图。此图为笔者根据参考资料重制，转载请注明出处。

   这张图大体上描述了Linux 的启动流程，在Linux的不同启动阶段，标注的相应的注释。本文将在此图的基础上，对Linux的启动过程分阶段的进行详细的描述。同时由于自身能力有限，文中描述难免有纰漏之处，还请各位读者留言指出，我会及时改正。

Linux启动过程都经历了什么！！

• 硬件引导启动
• grub启动引导阶段
• 内核引导阶段
• init初始化阶段

硬件引导启动

   硬件引导启动过程在Linux和Windows上是相似的。熟悉Windows系统的朋友可以结合Windows的启动过程来理解。

BIOS 启动

   稍有计算机基础的人都会知道BIOS(Basic Input / Output System)，又称为基本输入输出系统，它是一组固化到计算机主板上的一段程序，存储在ROM中。里面保存了计算机最基本的输入输出程序，计算机启动的时候首先根据BIOS中提供的信息去查找相应的硬件，并完成最基本的检测。如果这个过程中出现了问题，系统就不会启动。
   举一个最简单的例子，如果系统在BIOS阶段发现，内存条没有成功加载，那么系统还能够正常启动吗？即便Windows系统在这一点上也是如此的。

MBR 分区引导

   关于Linux系统的分区结构有两种方式，分别是MBR分区和GPT分区。二者在分区结构上有很大的不同，区别也很多，二者的异同可以去查看相关的资料，我们在这里不做详细的介绍。
   我们以MBR分区为例，来介绍Linux的启动过程。
   硬盘上第0磁道第一个扇区被称为MBR，也就是Master Boot Record，即主引导记录，它的大小是512字节，预启动信息、分区表信息。

   在计算机完成了BIOS阶段之后，系统会找到BIOS中指定的硬盘的MBR，此时系统启动的控制权就移交到MBR阶段。如图所示，在MBR由三部分组成，分别是BootLoader(主引导程序)，DPT（硬盘分区表）和55AA（硬盘有效标志）。其详细结构可参考上图。

grub 启动引导阶段

   系统启动到MBR阶段的时候会读取MBR中记录的BootLoader。所谓的BootLoader指的就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核做好一切准备。在Linux 中就是grub。

   Linux 中的grub 启动位于/boot/grub/目录下

实验 如果仅仅保留 grub.conf 文件，系统能够正常启动吗？

仅仅保留 grub.conf 在启动过程发生的错误，提示信息如下图所示

stage 1阶段

   系统进入到MBR阶段中，就会直接将磁盘的前446字节读入内存中，也就是BootLoader。stage 1阶段就是指的这一段。
   stage 1 阶段的任务非常简单，就是将硬盘中的这446个字节读入内存中，并解析，然后为下一个阶段做好准备。

实验 如果Stage1 阶段被破坏了，如何修复启动？

前面我们说过，Stage1 主要位于BootLoader 中，也就是硬盘的第0个磁道的第一个扇区的前446个字节，那么我们只要将446个字节破坏掉了就可以模拟这个实验。先看下面一个动图。

从图中可以看到，这时系统会直接进入救援模式。因为系统找不到找不到硬盘启动代码。所以我们就进入到救援模式，进行一系列的救援操作。

grub-install 的作用就是重新安装grub，会恢复/boot/grub 目录下的文件。
我们在执行 grub-install的过程，不仅修复了stage1 阶段，还修复了stage1.5阶段和stage2阶段。

stage 1.5阶段

stage1 位于/boot基本磁盘分区中，为识别内核文件所在的文件系统提供系统识别扩展。
Stage 1.5 是桥梁，Stage 1 并不能直接识别文件系统，所以需要Stage 1.5来引导某个文件系统当中的Stage 2.

stage 2阶段

  stage 2阶段是GRUB的核心程序，能让用户以菜单方式将操作系统加载、新增参数、修改选项，这些全都是stage2的功用。对GRUB来说，stage2除了不能自己启动外，剩下的事情全都由stage2完成。像是用户在启动时所看到的GRUB启动倒数画面，或是紧接着的启动菜单画面，就都是由stage2所提供的。 在 /boot/grub/目录下可以看到由一个stage2 的文件，就是这个文件起到了至关重要的作用。
   在Stage 2阶段 会读取 grub.conf 文件，而grub.conf 文件也是在Linux的整个启动过程中占据着尤为重要的一环。

grub.conf 配置文件

grub.conf 文件在启动过程中有着很大的作用

• 能够指定默认启动的内核或者系统
• 提供交互式接口
• 提供启动时的密码保护

下面我们就会详细的解释一下grub.conf 这个配置文件。如下图所示，是我们自定义的grub.conf文件。

• default=0 默认启动的是哪个操作系统
• timeout=5 选择需要启动的操作系统所需要的时间，如果5秒钟之内不选的话，就启动默认内核或者操作系统
• splashimage 启动菜单的背景 ，也就是在选择 需要启动的内核或者操作系统的界面
• passwd 输入启动项的密码，意思就是说在看到系统启动项之后，只有输入密码才能进行命令操作，比如说进入单用户。这里配置密码的方式有多种，可以以明文的形式进行配置也可以以加密的形式进行配置。而加密的方式有两种，grub-md5-crypt,grub-crypt. 在文件中配置如下所示。

    passwd magedu
    passwd --md5 加密密码
    passwd --encrypted  加密密码  

• hiddenmenu 隐藏选择kernel或操作系统菜单，只有出现等待界面后按下enter键才会出现。如果没有这个字段，则每次系统启动都会出现这个选择菜单。
• title 定义需要启动的菜单，(hd0,0) 可以去掉，但是 kernel 和 initrd 两者的顺序不能颠倒,否则系统启动失败。
• rhgb 选项可以去掉，隐藏 启动的动画界面(通常是CentOS 6 或者 CentOS 7的LOGO)，直接显示字符界面，字符界面上显示的是各种服务的相关启动信息

• quiet 默认隐藏内核的启动信息，如果去掉，启动时不光显示服务的启动信息，还显示内核的启动信息。

  如果我们隐藏了内核的启动信息，去哪里能够查看内核的启动信息呢？

cat /proc/cmdline 会显示与grub.conf 一致的内核信息。

内核引导阶段

   Kernel，内核，Kernel是Linux系统最主要的程序，实际上，Kernel的文件很小，只保留了最基本的模块，并以压缩的文件形式存储在硬盘中，当GRUB将Kernel读进内存，内存开始解压缩内核文件。讲内核启动，应该先讲下initrd这个文件，

   initrd(Initial RAM Disk)，它在stage2这个步骤就被拷贝到了内存中，这个文件是在安装系统时产生的，是一个临时的根文件系统(rootfs)。因为Kernel为了精简，只保留了最基本的模块，因此，Kernel上并没有各种硬件的驱动程序，也就无法识rootfs所在的设备，故产生了initrd这个文件，该文件装载了必要的驱动模块，当Kernel启动时，可以从initrd文件中装载驱动模块，直到挂载真正的rootfs，然后将initrd从内存中移除。

   Kernel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。

init 初始化阶段

   init 过程，顾名思义，就是对操作系统进行初始化的一个过程，此时操作系统内核已经在内存中加载。实际上是根据/etc/inittab(定义了系统默认运行级别)设定的动作进行脚本的执行，第一个被执行的脚本为/etc/rc.d/rc.sysinit，这个是真正的OS初始化脚本

相关的内容以及配置在图中已经有了详细的描述，此处不再详述。

综上，系统启动流程进行了大体的介绍，无奈，时间紧张，有很多地方只是简单地一笔带过。实际生产中，有些细节也很重要，包括整个启动过程中每一个环节如果出了故障应该如何修复，都是值得详细描述的知识点。以后有时间会回来重新更新补充，以图做到更好。