揭秘Linux启动的层层面纱,一文看懂从黑屏到界面的精彩之旅

从按下开机键到Linux系统界面显示，这中间究竟经历了怎样的过程?本文将为您一一揭开Linux启动的神秘面纱，详细剖析每个环节的工作原理，让你从内核出生到系统服务启动，一路见证这个过程的壮阔与精彩。

一、概述

Linux系统的启动过程大致可以分为以下几个阶段:

上电自检(POST)
基础输入输出系统(BIOS)
主引导记录(MBR)和引导加载程序(GRUB)
加载内核(Kernel)
初始化init进程
启动运行级别(Runlevel)

接下来，我们就一起走进每个阶段，深入探索其中的奥秘。

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二、上电自检(POST)

上电后，首先是上电自检(Power-On Self-Test，POST)环节，主要工作是检查计算机硬件是否正常。

POST由主板上的BIOS芯片中的指令完成，它会逐一检查系统中的硬件设备，包括CPU、内存、硬盘等。

POST 工作流程如下：

当计算机加电时，BIOS 会首先进行加电自检 (POST)，检查计算机硬件是否正常工作，例如 CPU、内存、硬盘等。
如果硬件检测失败，BIOS 会发出警报或显示错误信息。
如果硬件检测成功，BIOS 会继续执行启动过程。

三、基础输入输出系统(BIOS)

BIOS 是英文 Basic Input/Output System 的缩写，中文意思是基本输入输出系统。它是一段固化到计算机主板上的程序，它负责管理计算机最基本的硬件设备，例如键盘、鼠标、显示器、硬盘等，并引导操作系统，提供系统设置选项，负责管理电源。

1、BIOS 的功能和作用

硬件检测和初始化，确保计算机硬件正常工作

在计算机启动时，BIOS 会检测并初始化所有连接到主板的硬件设备，例如键盘、鼠标、显示器、硬盘等，确保这些设备能够正常工作。
引导操作系统

BIOS 会从硬盘或其他启动设备中加载操作系统内核，并将其传递给操作系统进行启动。
提供系统设置选项

BIOS 提供一些系统设置选项，例如启动顺序、日期和时间、硬件配置等，方便用户进行系统配置。
管理电源

BIOS 可以控制计算机的电源状态，例如开机、关机、休眠等，方便用户进行电源管理。

2、 BIOS 的类型

传统 BIOS： 传统 BIOS 是使用 16 位代码编写的，它只支持 16 位 CPU 和 1MB 以下的内存。
UEFI BIOS： UEFI BIOS 是使用 32 位或 64 位代码编写的，它支持 32 位或 64 位 CPU 和更大的内存。

3、BIOS 的工作流程

Step1，加电自检 (POST)过程

BIOS 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(按下电源开关后，BIOS检查设备，可以听到“滴”的一声就说明设备正常)，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)。

Step2，加载 MBR

BIOS还有一个主要的功能就是存储了磁盘的启动顺序，BIOS会按照启动顺序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，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。

四、主引导记录(MBR)和引导加载程序(GRUB)

1、MBR

MBR(Master Boot Record) 是主引导记录，是硬盘的第一个扇区，里面存储着少量启动代码和分区表信息。每个可启动的操作系统都需要在MBR或分区表中留有相应的引导代码。

MBR存储于磁盘的头部(它指的是硬盘的第一个扇区)，大小为512bytes。

Boot Loader ，占用446字节，存储有操作系统（OS）相关信息，如操作系统名称，操作系统内核位置等，它的主要功能是加载内核到内存中运行。
Partition Table 分区表，占用64字节，每个主分区占用16字节（这就是为啥一块硬盘只能有4个主分区）
分区表有效性标记占用2字节 (“55，AA”是分区表结束的标志)

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对于Linux系统，MBR中的代码将会加载并运行GRUB(GRand Unified Bootloader)引导加载程序。GRUB提供了一个菜单，可以选择要启动的操作系统或内核版本。选择后，它会加载指定的内核映像到内存。

可以查阅GRUB的源码了解其工作原理:

// grub-core/kern/main.c
int main()
{/* 初始化GRUB环境 */grub_init_all();/* 显示GRUB菜单 */grub_menu_show_entry_sequence();/* 选择内核映像并加载到内存 */grub_linux_boot();
}

2、Boot Loader

Boot Loader，中文翻译为引导加载程序，是计算机启动过程中必不可少的程序，它很小但非常重要，负责将操作系统内核加载到内存中，并启动操作系统。

（1）、 Boot Loader 的功能

加载操作系统内核到内存中
启动操作系统
提供一些系统设置选项
管理启动过程

（2）、Boot Loader 的类型

主引导记录 (MBR)： MBR 是存储在硬盘第一个扇区上的引导程序，它负责加载第一个操作系统的引导扇区。
引导扇区： 引导扇区是存储在每个分区上的引导程序，它负责加载操作系统的内核。
GRUB： GRUB 是一个通用的引导加载程序，它支持多种操作系统，例如 Linux、Windows、FreeBSD 等。
LILO： LILO 是另一个通用的引导加载程序，它主要用于 Linux 操作系统。

（3）、Boot Loader 的工作流程

当计算机加电时，BIOS 会首先读取硬盘第一个扇区上的 MBR。
MBR 会加载第一个操作系统的引导扇区到内存中。
引导扇区会加载操作系统的内核到内存中。
操作系统内核会启动操作系统。

3、GRUB

GRUB (GRand Unified Bootloader) 是一个通用的引导加载程序，它支持多种操作系统，例如 Linux、Windows、FreeBSD 等。 GRUB 是目前最流行的引导加载程序之一，它被广泛应用于各种 Linux 发行版中。

（1）、GRUB 的功能

加载操作系统内核到内存中
启动操作系统
提供一些系统设置选项
管理启动过程
支持多种操作系统
支持多种文件系统
支持多种硬件平台

（2）、GRUB 的工作流程

当计算机加电时，BIOS 会首先读取硬盘第一个扇区上的 MBR。
MBR 会加载 GRUB 的第一个阶段到内存中。
GRUB 的第一个阶段会加载 GRUB 的第二个阶段到内存中。
GRUB 的第二个阶段会显示启动菜单，允许用户选择要启动的操作系统。
用户选择要启动的操作系统后，GRUB 会加载该操作系统的内核到内存中。
操作系统内核会启动操作系统。

（3）、GRUB 的配置

GRUB 的配置可以通过编辑配置文件进行。配置文件通常位于 /boot/grub/grub.cfg 文件中。

grub.conf：#boot=/dev/sda  default=0        #设定默认启动的title的编号，从0开始  timeout=5       #等待用户选择的超时时间  splashimage=(hd0,0)/boot/grub/splash.xpm.gz    #GRUB的背景图片  hiddenmenu     #隐藏菜单  title CentOS (2.6.18-194.el5PAE)      #内核标题  root (hd0,0)         #内核文件所在的设备  kernel /vmlinuz-2.6.18-194.el5PAE ro root=LABEL=/     #内核文件路径以及传递给内核的参数  initrd /initrd-2.6.18-194.el5PAE.img                            #ramdisk文件路径

在/boot/grub/grub.conf中可以看到：

root (hd0，0) 这一行实际上是指定了/目录的所在的位置，但这个根并不是真正的根，而是/所在的位置，可以理解成/boot是处在（hd0，0)/boot，而这里的（hd0，0)指的是第一个磁盘的第一个分区。
GRUB不是通过文件系统来访问内核的，因为此时内核还没有启动，不存在文件系统，而是直接访问第一个磁盘的第一个分区（通过MBR中的分区表来识别分区），而识别MBR中的分区的文件系统，则是由GRUB通过加载自身携带的系统文件来实现的，这些文件在/boot/grub目录中。

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五、加载内核(Kernel)

内核是操作系统中最核心的部分，它负责管理计算机的硬件资源，为上层应用程序提供支持和服务。

在Linux系统中，内核是压缩后的vmlinuz文件，GRUB会将其加载并解压到内存中。内核启动后，会进行一系列的初始化操作，如探测硬件资源、设置终端、挂载根文件系统等。

// linux-x.x.x/init/main.c
int __init start_kernel()
{/* 初始化各种子系统,如体系结构、内存管理、调度器等 */setup_arch(&command_line);setup_memory();scheduler_init();....../* 挂载根文件系统 */prepare_namespace();/* 启动init程序 */kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);return 0;
}

Kernel 内核是 Linux 操作系统最主要的程序，它负责管理系统资源和运行应用程序。内核是操作系统的心脏，它控制着所有硬件和软件的交互。

（1）、 Kernel的功能

进程管理： 内核负责创建、调度和终止进程。
内存管理： 内核负责分配和管理内存。
文件系统管理： 内核负责管理文件系统，例如创建、删除和访问文件。
设备驱动程序： 内核负责管理设备驱动程序，以便操作系统能够使用硬件设备。
网络管理： 内核负责管理网络连接，例如发送和接收数据包。
安全： 内核负责保护系统免受安全威胁，例如病毒和黑客攻击。

（2）、 Kernel的结构

Linux 内核是一个单内核系统，这意味着它只有一个内核。

内核由以下几个主要部分组成：

内核核心： 内核核心是内核最核心的部分，它负责管理系统资源和运行应用程序。
设备驱动程序： 设备驱动程序负责管理硬件设备，以便操作系统能够使用硬件设备。
文件系统： 文件系统负责管理文件，例如创建、删除和访问文件。
网络协议栈： 网络协议栈负责管理网络连接，例如发送和接收数据包。

（3）、 Kernel工作流程

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。
内核启动，在stage2这个步骤时，就将initrd(Initial RAM Disk) 文件拷贝到了内存中，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)。 initrd这个文件，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。

六、初始化init进程

内核启动后，会执行/sbin/init程序，该程序是所有其他进程的祖先进程。

Init 是 Linux 系统中最古老的进程，它的 PID 始终为 1。

Init进程会根据运行级别(runlevel)来决定启动哪些程序。

在大多数Linux发行版中，init程序是systemd，负责启动和管理整个系统。你可以在源码systemd/src/core/main.c中看到它的入口:

// systemd/src/core/main.c 
int main() {....../* 初始化systemd管理器 */  r = manager_init();....../* 启动监控循环,运行系统服务 */r = manager_run(m);......
}

内核并加载进内存运行并以读写方式挂载完根文件系统后，执行第一个用户进程init，init首先运行/etc/init/rcS.conf脚本，如下图：
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上图可以看到，init进程通过执行/etc/rc.d/rcS.conf首先调用了/etc/rc.d/rc.sysinit，对系统做初始化设置，这是真正的OS初始化脚本。

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事实上init执行/etc/rc.d/rc.sysinit的初始化将会做很多设置：

1、获得网络环境
2、挂载设备
3、开机启动画面Plymouth（取替了过往的 RHGB）
4、判断是否启用SELinux
5、显示于开机过程中的欢迎画面
6、初始化硬件
7、用户自定义模块的加载
8、配置内核的参数
9、设置主机名
10、同步存储器
11、设备映射器及相关的初始化
12、初始化软件磁盘阵列（RAID）
13、初始化 LVM 的文件系统功能
14、检验磁盘文件系统（fsck）
15、设置磁盘配额(quota)
16、重新以可读写模式挂载系统磁盘
17、更新quota（非必要）
18、启动系统虚拟随机数生成器
19、配置机器（非必要）
20、清除开机过程当中的临时文件
21、创建ICE目录
22、启动交换分区（swap）
23、将开机信息写入/var/log/dmesg文件中

init执行完/etc/rc.d/rc.sysinit后，将会执行/etc/inittab来设定系统运行的默认级别：
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