Linux开机流程整理

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Linux开机流程整理

概述

这篇issue主要是想试图整理一下,一台安装了linux系统的电脑从按下的电源键之后到操作界面显示在屏幕之上,到底经历了多少不为人知的事情

经过一波查询整理,大致需要经历以下几个阶段的准备过程

• BIOS自检
• 系统引导
• 加载内核
• 启动初始化程序
• 加载开机启动程序
• 进入shell

笔记

先问一个问题，"启动"用英语怎么说？

回答是boot。可是，boot原来的意思是靴子，"启动"与靴子有什么关系呢？ 原来，这里的boot是bootstrap（鞋带）的缩写，它来自一句谚语：

"pull oneself up by one's bootstraps"

字面意思是"拽着鞋带把自己拉起来"，这当然是不可能的事情。最早的时候，工程师们用它来比喻，计算机启动是一个很矛盾的过程：必须先运行程序，然后计算机才能启动，但是计算机不启动就无法运行程序！

早期真的是这样，必须想尽各种办法，把一小段程序装进内存，然后计算机才能正常运行。所以，工程师们把这个过程叫做"拉鞋带"，久而久之就简称为boot了。
好了,以下是笔记整理

BIOS自检

所以上面工程师所说的"一小段程序",便是这里的BIOS,即基本输出输入系统（Basic Input/Output System）,在上个世纪70年代初，"只读内存"（read-only memory，缩写为ROM）发明，开机程序被刷入ROM芯片，计算机通电后，第一件事就是读取它。

BIOS程序首先检查，计算机硬件能否满足运行的基本条件，这叫做"硬件自检"（Power-On Self-Test），缩写为POST。

如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动中止。如果没有问题，屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。

硬件自检完成后，BIOS把控制权转交给下一阶段的启动程序。

这时，BIOS需要知道，"下一阶段的启动程序"具体存放在哪一个设备。也就是说，BIOS需要有一个外部储存设备的排序，排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。这种排序叫做"启动顺序"（Boot Sequence）。

打开BIOS的操作界面，里面有一项就是"设定启动顺序"。

系统引导

系统读取位列第一的可启动存储设备。计算机先读取该设备的第一个扇区，也就是读取最前面的512个字节。这最前面的512个字节，就叫做 ”主引导记录”（Master boot record，缩写为MBR） 。MBR 只有512字节，放不了太多东西，它主要告诉计算机从该设备的哪一个分区（partition）来装载引导加载程序（boot loader）。如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动，控制权于是被转交给"启动顺序"中的下一个设备。

MBR主要由三个部分组成:
1 第1-446字节：调用操作系统的机器码。
2 第447-510字节：分区表（Partition table）。
3 第511-512字节：主引导记录签名（0x55和0xAA）。

Boot Loader 储存有操作系统（OS）的相关信息，比如操作系统名称，操作系统内核（kernel）所在位置等。它的主要功能就是加载内核到内存中去执行。Linux常用的 boot loader 便是 GRUB 。

那我们经常说到的多操作系统是怎么回事呢？其实每个文件系统（或分区）的最前面会保留一个引导扇区（boot selector），这个引导扇区可以安装 boot loader。这样我们在每个 boot loader 中对应不同的操作系统，在读取 MBR 的时候选择我们需要启动的 boot loader 即可。

加载内核

Kernel(内核) 实际上是一个用来操作计算机的程序，它是计算机操作系统的内核，主要的任务是管理计算机的硬件资源，充当软件和硬件的接口。操作系统上的任何操作都要通过 kernel 传达给硬件。

boot loader 会帮助我们加载内核，内核就会开始检测硬件与加载驱动程序。没错，内核会以自己的功能重新检测一遍硬件，而不一定会使用 BIOS 检测到的硬件信息。也就是说，内核此时才开始接管 BIOS 后的工作。

Linux的内核文件一般是在 /boot 目录下,以manjaro为例boot目录下大致有这些文件 ( 手头上只有这个发行版其他的我就不是很晓得了)

➜  /boot ls
grub                                initramfs-4.19-x86_64.img  linux419-x86_64.kver  vmlinuz-4.19-x86_64
initramfs-4.19-x86_64-fallback.img  intel-ucode.img            memtest86+

启动初始化程序

内核文件加载完成以后，就开始运行第一个程序 /sbin/init，它的作用是初始化系统环境。由于init是第一个运行的程序，它的进程编号（pid）就是1。其他所有进程都从它衍生，都是它的子进程。

许多程序需要开机启动。它们在Windows叫做”服务”（service），在 Linux 就叫做”守护进程”（daemon）。init 进程的一大任务，就是去运行这些开机启动的程序。但是，不同的场合需要启动不同的程序，比如用作服务器时，需要启动 Apache，用作桌面就不需要。Linux 允许为不同的场合，分配不同的开机启动程序，这就叫做”运行级别”（run level）。也就是说，启动时根据”运行级别”，确定要运行哪些程序。manjaro的默认的 init 程序是systemd-sysvcompat提供的/sbin/init(新安装的系统已经默认使用systemd) 或 sysvinit

Linux预置七种运行级别（0-6）。基本上，依据有无网络与有无 X Window ，Linux 将 run level 划分为7个等级（0-6）。其中0是关机，1是单用户模式，6是重启。而 2-5，一般来说都是多用户模式。

每个运行级别在/etc目录下面，都有一个对应的子目录，指定要加载的程序。即rc0.d到rc6.d目录,其中存放的是该运行级别中需要执行的服务脚本的 软链接文件（即快捷方式） 。

加载开机启动程序

而真正的脚本文件,都存放在etc/init.d 中(结尾为d,即为direction,与init作为区分 )

这样做的另一个好处，就是如果你要手动关闭或重启某个进程，直接到目录 /etc/init.d 中寻找启动脚本即可。

然而我在manjaro中并没有发现以上两个文件.一查才发现arch系列是有着自己的另一套启动方式,具体是个什么样子我会在下一篇issue当中好好聊聊

进入shell

当操作系统按顺序跑完里头的服务的时候,就可以正式进入用户和计算机交互的环节了.

所谓shell，简单说就是命令行界面，让用户可以直接与操作系统对话。用户登录时打开的shell，就叫做login shell。

输入用户名密码登录成功后，系统会为用户分配一个用户 ID（UID），和一个组 ID（GID）。这两个 ID 就好像身份证一样会一直伴随用户，用于检测用户执行程序时的身份验证。

当用户登录成功后，一个完整的操作系统就展现在用户的面前了。

参考

1.Linux 的启动流程-阮一峰的网络日志

2.计算机是如何启动的?-阮一峰的网络日志

3.Linux开机启动流程-海贼之路飞