Linux（RHEL6）启动过程详解

浏览数：24 / 时间：2015年06月20日

Linux（RHEL6）启动过程详解

Linux（红帽RHEL6）启动过程详解：
RHEL的一个重要和强大的方面是它是开源的，并且系统的启动过程是用户可配置的。用户可以自由的配置启动过程的许多方面，包括可以指定启动时运行的程序。同样的，系统关机时所要终止的进程也是可以进行组织和配置的，即使这个过程的自定义很少被需要。
理解系统的启动和关机过程是如何实现的不仅可以允许自定义，而且也可以更容易的处理与系统的启动或者关机相关的故障。

1.启动过程
  以下是启动过程的几个基本阶段：
   ① 系统加载并允许boot loader。此过程的细节取决于系统的架构。例如：
    ●基于BIOS的x86系统这第一个运行boot loader的阶段是先从主硬盘的MBR开始的，然后再额外加载一个boot loader即GRUB。
    ●基于UEFI的x86系统要挂载一个包含GRUB boot loader的EFI系统分区。EFI的启动管理器以一个EFI应用程序的形式来加载并运行GRUB 引导程序。
    ●对于Power Systems服务器来说，需要挂载一个包含Yaboot boot loader的PPC PReP分区。并由系统管理服务（SMS）启动管理器来加载并运行yaboot 引导程序。
    ●对于IBM System z（IBM大型机）来说，它会从一个DASD或者FCP-connected设备上运行z/IPL boot loader。
   ② boot loader 将内核加载到内存中，然后，依此加载任何必需的模块并以只读的方式将挂载根分区。
   ③ 内核将启动过程的控制权转交给/sbin/init程序。
   ④ /sbin/init程序加载所有的服务和用户空间工具，并挂载在/etc/fstab中列出的所有分区。
   ⑤ 出现登录界面，用户登录新启动的系统。

2. 启动过程的细节
  启动过程的最初阶段根据硬件平台的不同会出现差异。然而，一旦内核被boot loader发现并加载，那么之后的启动过程在所有的架构平台上都是相同的。以下内容主要是以x86架构平台来讲述。
  ㈠固件接口

   ①基于BIOS的x86系统
    BIOS是一个不仅控制着启动过程的第一步，而且也是为外围设备提供了最底层接口的固件接口。在装有BIOS的x86系统设备上，BIOS程序被写入只读并可永久存储的存储器中（即ROM），并一直保持可用。当系统启动的时候，处理器(即cpu)从内存的最后（即最高）地址段读取BIOS程序并运行它。
    一旦BIOS程序被加载,BIOS就会检验系统，查找并检测外围设备，然后再定位一个可以有效启动系统的设备。通常，它会先检查光驱或者是USB设备是否可以引导，如果检查失败，然后再检测系统硬盘。在大多数情况下，可启动驱动器的查找顺序是由在BIOS中的相关设定来控制的。在IDE设备中，它会查看主IDE总线上的主IDE设备是否可以启动系统。在SATA设备中，它会查看哪个SATA设备上设置了启动标记。然后，BIOS将相应启动设备上第一扇区中保存的程序（称作MBR,即主引导记录）加载到内存。MBR仅有512字节的大小，其中包含启动机器的机器代码指令，被称为boot loader，同时也包含了分区表。一旦BIOS将boot loader找到并加载到内存中，那么BIOS就会把启动过程的控制权转交给它。

    第一阶段的boot loader是一小段在MBR上的二进制机器代码。它的唯一作用是定位第二阶段的boot loader（GRUB），并将它（GRUB）的第一部分加载到内存中。


    （注释：当机器一加电BIOS程序就会被加载到主存中一个被称为Shadow RAM的内存保留区当中，因为Shadow RAM中的地址是ROM BIOS地址空间的映射，两者的地址空间完全相同，所以CPU直接对Shadow RAM进行访问即可，而且速度比直接访问ROM要快的多。）
   ② 基于UEFI的x86系统
    UEFI（即，Unified Extensible Firmware Interface,通用固件接口）像BIOS一样，它是被设计用来控制启动过程（通过启动服务来提供）并提供一个系统固件和操作系统之间的接口（通过runtime服务来提供）。和BIOS不一样的是它有自己的体系架构，不依赖与CPU，它有自己的设备驱动。UEFI可以挂载分区并读取某些文件系统。

    当一个装有UEFI的x86计算机启动的时候，UEFI将会查找一个使用GUID（全局唯一标识符）标明的系统存储分区，并把这个分区标记为ESP（即，EFI System Partition）。这个分区包含被编译为EFI架构的应用程序，这些应用程序包含系统的bootloader和实用软件。UEFI系统包含一个EFI启动管理器，这个管理器可以从一个默认的配置中来启动系统，或者提示用户选择一个系统来启动。当一个系统被选择时，不管是手动的还是被动的，UEFI都会将对应的bootloader读入内存并将启动过程的控制权转交给bootloader。

  ㈡引导加载程序——The Boot Loader
   ① x86系统架构的引导加载程序GRUB
    系统加载GRUB到内存中，GRUB是如何被加载如内存中的：一是在装有BIOS的机器中由第一阶段的bootloader直接引导至GRUB；或者是在装有UEFI的机器中直接从EFI系统分区读取。

    在启动的时候GRUB bootloader可以读取ext2,ext3,ext4文件系统的分区，并加载其配置文件——/boot/grub/grub.conf(对于基于BIOS的)或者/boot/efi/EFI/redhat/grub.conf(对于UEFI的)。
    （注：在RHEL6中，GRUB bootloader 支持ext2,ext3,ext4文件系统。它不支持其他的像VFAT,Btrfs或者XFS，也不支持LVM，也就是说包含/boot目录的分区的文件系统必须是ext2,ext3,ext4文件系统，其他的是不可以的。）

    一旦第二阶段的bootloader进入内存后，它就会在屏幕上以图形化的方式显示需要不同的操作系统，或者内核，来让用户选择要启动的系统或内核（注：当更新内核的时候，bootloader的配置文件会被自动的更新）。

    一旦第二阶段的bootloader确定要启动哪个内核。它就会在/boot目录里查找对应的内核二进制文件。内核二进制文件的命名格式是：/boot/vmlinuz-<kernel-version>。其中<kernel-version>只要和/boot/grub/grub.conf中，指定的一样即可。

    然后，bootloader在将initramfs镜像放入内存中。 initramfs是被内核所使用的，用来加载启动系统所必需的驱动和模块。这个镜像文件对于存有SCSI或者使用ext3,ext4文件系统的计算机非常的重要。

    一旦内核和initramfs镜像被加载到内存，bootloader就会将启动过程的控制权转交给内核。随后，内核在再把启动过程的控制权转交给init命令。

   ② 关于其他系统架构的引导加载程序
    除了被用于查找和加载内核的引导程序不一样外，其他的启动过程完全一样。

  ㈢内核
   当内核加载后，它会立即初始化并配置计算机的内存，配置各种依附于系统的硬件，包括CPU，I/O子系统和存储设备等。然后查找initramfs镜像文件并加载其进入内存，然后将其直接解压到/sysroot/，并加载所有必需的驱动。接下来，它会初始化和文件系统相关的设备，例如LVM和软RAID。再然后，内核创建一个根设备，并以只读的方式挂载。到此，内核已经基本完成所有的工作，并可以进行运作。但是，因为此时还不允许用户进行输入操作，所以还不能进行其他跟多的操作。所以，为了设置用户环境，内核开始执行/sbin/init程序。

  ㈣ /sbin/init 程序
   /sbin/init程序完成余下的启动过程并配置用户环境。
   当init命令启动的时候，它会成为所有自动启动的进程的父进程。首先，它运行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本，此脚本的作用是：设置环境变量，启动swap，检查文件系统，执行所有系统初始化所必须的其他步骤。例如，大多数系统要使用的时钟，rc.sysinit也会读取/etc/sysconfig/clock配置文件来初始化硬件的时钟。再如，如果有比较特殊的串口进程需要初始化，那么,rc.sysinit也会执行/etc/rc.serial文件等。

   然后，init命令会处理/etc/event.d目录下的作业，此目录是用来描述系统是如何对每个Sysv init的运行级别进行设置的。Runlevel是一种被在/etc/rc.d/rc<x>.d/目录中列出的各种服务所定义的状态或者模式，其中<x>表示运行的级别。紧接着，init命令设置源函数库——/etc/rc.d/init.d/functions，此文件是用来配置如何启动，停止程，并确定程序PID的。

   init程序通过在/etc/inittab中指定的运行级别，找对应的的rc目录，然后启动对应的目录下的所有后台进程。例如，如果/etc/inittab中的运行级别是5，那么init程序就会找到/etc/rc.d/rc5.d目录，然后根据/etc/rc.d/rc5.d目录的列表来决定要启动或停止哪些进程。其实，/etc/rc.d/rc5.d目录下并不存在启动或停止服务的真实脚本，在/etc/rc.d/rc5.d目录下的所有文件只是/etc/rc.d/init.d目录下对应文件的符号链接罢了。其中，每个符号链接文件都是以‘K’或‘S’ 开头的。以‘K‘开头的链接文件是在对应运行级别上不启动的。而以‘S’开头的链接文件是在对应运行级别上要启动的。

   init命令首先是通过发送/etc/rc.d/init.d/<command> stop 命令来停止所有对应运行级别的目录中以‘K’开头的所有符号链接文件，其中，<command> 是指要需要停止的服务或进程。然后，再通过发送/etc/rc.d/init.d/<command> start 来启动对应运行级别的目录中所有以‘S‘开头的符号链接文件。

   每个符号链接文件的启动顺序是根据’K‘或‘S’后面的数字来决定的。数字越低，启动的越早。如果数字相同，那么就按照数字后面字母的顺序来依次启动。我们可以通过修改数字的大小来决定服务或进程启动的先后顺序。

   注：init程序最后要执行的文件之一是/etc/rc.d/rc.local文件。这个文件主要用来给用户自定义使用的。

   在init命令处理完对应运行级别的rc目录中所有服务后，init就会立即为每一个虚拟控制台调用一个/sbin/mingetty程序，并分配给在/etc/event.d目录下所定义的对应运行级别。运行级别2-5有六个虚拟控制台。运行级别1有一个，运行级别0和6没有。/sbin/mingetty进程是开启了同tty设备进行通信的路径，通过此进程就可以设置tty设备的模式，打印登陆提示符，接收用户的用户名和密码，并初始化登陆过程。而在运行级别5上，init会运行一个叫做/etc/X11/prefdm的脚本，然后此脚本就会根据文件/etc/sysconfig/desktop中所配置的内容来启动X显示管理器（gdm，kdm，xdm）。

  ㈤ Job 定义
   在以前，sysvinit包会为init守护进程提供默认的配置。当系统启动的时候，init守护进程就会运行/etc/inittab脚本，并运行对应运行级别上的服务进程。而现在的init守护进程的默认配置使用的是事件驱动的形式，由upstart包提供。无论什么时候发生了特殊事件，init守护进程都会对存储在/etc/event.d目录下的作业进行处理。init守护进程会把系统的启动作为一个事件来识别。

   通常每个作业指定一个程序，并且以触发init的事件的形式来运行或停止此程序。有些作业像是批处理任务，执行动作并直到再发生另一个触发事件触发此作业的时候在终止。有些作业像是服务，一直处于运行状态，直到另一个事件或用户停止它。