1.5 系統啟動流程

1.5.1 系統引導概述

為了更好地了解Linux系統的運行原理，非常有必要了解系統啟動的流程。實際上，這也是學習Linux應知應會的內容，在很多Linux系統工程師的職位面試中都會被問及。

來想象一下臺式機的啟動過程，相信大家都有這樣的經驗和體會。在按開機電源后，會聽到機箱內發出“滴”的一聲，接著屏幕上開始打印出一些字符，然后開始顯示出圖形界面，最后屏幕上會顯示需要輸入用戶名、密碼的登錄界面。其實，不管是Linux還是Windows，從用戶感官上的體驗而言，順序都是大同小異的。本節將詳細描述Linux環境下的啟動流程，起點是從按下計算機的電源鍵開始。

首先，計算機會加載BIOS，這是計算機上最接近硬件的軟件，各家主板制造商都會開發適合自己主板的BIOS，而BIOS中一項很重要的功能就是對自身的硬件做一次健康檢查，只有硬件沒有問題，才能運行軟件，記住，操作系統也是一種軟件。這種通電后開始的自檢過程被稱為“加電自檢”，英文中稱為Power On Self Test，簡稱POST。如果所有的硬件自檢通過，一般都會發出一次“滴”的短聲提示，說明硬件一切正常。

機器自檢通過后，下面就要引導系統了。這個動作是BIOS設定的，BIOS默認會從硬盤上的第0柱面、第0磁道、第一個扇區中讀取被稱為MBR的東西，即主引導記錄。一個扇區的大小是512字節，存放的內容是一段引導程序和分區信息，其中引導程序部分占用446字節，另外64字節是磁盤分區表DPT，最后兩字節是MBR的結束位。這512字節的空間內容是由專門的分區程序產生的，比如說Windows下的fdisk.exe，或者Linux下的fdisk命令，所以它不依賴于任何操作系統，而MBR中的引導程序也是可以修改的，所以可以利用這個特性實現多操作系統共存。由于RedHat、CentOS默認會使用Grub作為其引導操作系統的程序，而Grub本身又比較大，所以常見的方式是在MBR中寫入Grub的地址，這樣系統實際會載入Grub作為操作系統的引導程序。

經過了上面的步驟，第三步就是順理成章地運行Grub了。Grub最重要的功能就是根據其配置文件加載kernel鏡像，并運行內核加載后的第一個程序/sbin/init，這個程序會根據/etc/inittab來進行初始化的工作。其實這里最重要的就是根據文件中設定的值來確定系統將會運行的runlevel，默認的runlevel定義在“id:3:initdefault:”中，其中的數字3說明目前的運行級別定義為3（這里提到了runlevel的概念，將在后面詳細講解）。

第四步，Linux將根據/etc/inittab中定義的系統初始化配置si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit執行/etc/rc.sysinit腳本，該腳本將會設置系統變量、網絡配置，并啟動swap、設定/proc、加載用戶自定義模塊、加載內核設置等。

第五步是根據第三步讀到的runlevel值來啟動對應的服務，如果值為3，就會運行/etc/rc3.d/下的所有腳本，如果值為5，就會運行/etc/rc5.d/下的所有腳本。

第六步將運行/etc/rc.local，第七步會生成終端或X Window來等待用戶登錄。

1.5.2 系統運行級別

前一節多次提到了runlevel這個詞，但是runlevel究竟是什么呢？我們說Linux默認有7個運行級，從運行級0到運行級6，每一個運行級所對應的含義如下：

運行級0：關機。

運行級1：單用戶模式，系統出現問題時可使用這種模式進入系統維護，典型的使用場景是在忘記root密碼時可進入此模式修改root密碼。

運行級2：多用戶模式，但是沒有網絡連接。

運行級3：完全多用戶模式，這也是Linux服務器最常見的運行級。

運行級4：保留未使用。

運行級5：窗口模式，支持多用戶，支持網絡。

運行級6：重啟。

任何時候Linux只能在一種runlevel下運行。那么不同的runlevel之間到底有什么區別呢？上一節中提到，系統在啟動的過程中會根據/etc/inittab中的設定讀取runlevel的數值X，并相應地讀取和運行/etc/rcX.d（X代表0～6）下所有的腳本。看一下/etc/rc3.d中的內容：

[root@localhost ~]# ll /etc/rc3.d/
total 288
......(略去內容)......
lrwxrwxrwx 1 root root 15 Oct  7 20:52 K15httpd-> ../init.d/httpd
lrwxrwxrwx 1 root root 13 Oct  7 20:55 K20nfs-> ../init.d/nfs
......(略去內容)......
lrwxrwxrwx 1 root root 18 Oct  7 20:50 S08iptables-> ../init.d/iptables
lrwxrwxrwx 1 root root 17 Oct  7 20:52 S10network-> ../init.d/network
......(略去內容)......

注意看每行中第9列的內容，分別是以K或S開頭、后跟兩位數字、再接服務名的文件，其實它們鏈接的是上層init.d目錄中的服務腳本。系統在啟動過程中，會首先運行以K開頭的腳本，全部運行完畢后再運行以S開頭的腳本，在運行所有K開頭的腳本時，又會嚴格按照K后面的數字大小依次來運行，也就是數字小的先運行，數字大的后運行。同樣，在運行S開頭的腳本時，也是按照這個原則進行的，即先運行數字小的腳本，再運行數字大的腳本。K和S的意思分別是停止（kill）和啟動（start），只要定義好不同運行級需要啟動和停止的服務，就可以讓系統在不同的運行級下啟動和關閉不一樣的服務。再來對比一下/etc/rc1.d下的關于network項內容：

[root@localhost ~]# ll /etc/rc1.d/
total 288
......(略去內容)......
lrwxrwxrwx 1 root root 17 Oct  7 20:52 K90network-> ../init.d/network
......(略去內容)......

在運行級為1的時候，network是在開機啟動的過程中被關閉的（K90network），而在運行級為3的時候，network則是被開啟的（S10network）。

1.5.3 服務啟動腳本

上節在介紹Linux運行級時，談到在Linux啟動過程中會使用K或S開頭的腳本關閉或啟動相關服務，那么這是怎么做到的呢？本節將通過一個腳本幫助大家理解。當然因為這里還沒有講到Shell編程的內容，所以只做非常簡單的講解。

#!/bin/bash
#一個bash腳本開始的標記，必須是用“#!/bin/bash”開頭，含義是提示系統在運行該腳本時使用
/bin/bash作為執行該文件的解釋器
#       /etc/rc.d/init.d/atd
#說明自己的絕對路徑
# Starts the at daemon
#
# chkconfig: 345 95 5
#345是說在運行級是345的時候，默認開啟atd，也就是Start
#95是說明當默認設置為on的時候，運行優先級定為95
#5是說明當默認設置為off的時候，停止優先級定為5
# description: Runs commands scheduled by the at command at the time
#    specified when at was run,and runs batch commands when the load
#    average is low enough.
# processname: atd


# Source function library.
. /etc/init.d/functions
#使用“.”命令包含文件，可以使用/etc/init.d/functions中定義的函數
# pull in sysconfig settings
[-f /etc/sysconfig/atd ] && . /etc/sysconfig/atd
test-x /usr/sbin/atd || exit 0
RETVAL=0


#
#       See how we were called.
#
prog="atd"
start() {
        # Check if atd is already running
        if [ !-f /var/lock/subsys/atd ]; then
            echo-n $"Starting $prog: "
            daemon /usr/sbin/atd $OPTS && success || failure
            RETVAL=$?
            [ $RETVAL-eq 0 ] && touch /var/lock/subsys/atd
            echo
        fi
        return $RETVAL
}
#定義start函數
stop() {
        echo-n $"Stopping $prog: "
        killproc /usr/sbin/atd
        RETVAL=$?
        [ $RETVAL-eq 0 ] && rm-f /var/lock/subsys/atd
        echo
        return $RETVAL
}
#定義stop函數


restart() {
        stop
        start
}
#定義restart函數，實際調用時，先執行stop函數后執行start函數
reload() {
        restart
}
#定義reload函數，實際調用時，就是執行restart函數
status_at() {
        status /usr/sbin/atd
}
#定義status_at函數，實際調用時，是調用/etc/init.d/functions中定義的函數status，
參數為/usr/sbin/atd，也就是查詢atd的運行狀態
case "$1" in
start)
        start
        ;;
stop)
        stop
        ;;
reload|restart)
        restart
        ;;
condrestart)
        if [-f /var/lock/subsys/atd ]; then
            restart
        fi
        ;;
status)
        status_at
        ;;
*)
        echo $"Usage: $0 {start|stop|restart|condrestart|status}"
        exit 1
esac


exit $?
exit $RETVAL

上面的腳本實際上是/etc/init.d/atd中的內容，我在腳本中做了一些注釋來簡單講解腳本的處理過程。當atd設置為啟動時，將會在對應的/etc/rcX.d（X代表0～6）目錄下顯示：S95atd-> ../init.d/atd，系統根據第一個字母S判定atd需要啟動，然后會調用命令/etc/init.d/atd start；當atd設置為關閉時，將會在對應的/etc/rcX.d目錄下顯示：K05atd-> ../init.d/atd，系統根據第一個字母K判定atd需要關閉，然后調用命令/etc/init.d/atd stop，這樣就實現了對atd的啟停控制，其他服務也是同樣的原理。

1.5.4 Grub介紹

在之前的系統引導概述中，相信大家已經看到Grub這個詞了，它的全稱為Grand Unified Bootloader，也是GNU贊助的項目之一，事實上Grub可以引導多個操作系統。早先Linux的引導程序是lilo，含義為Linux Loader，這是ext2文件系統中特有的引導程序，現在基本上已經不再使用了。

在之前的系統啟動流程中提到，計算機在啟動時，BIOS默認會從硬盤上的第0柱面、第0磁道、第一個扇區中讀取512字節的數據來引導系統啟動，但是Grub這個程序遠遠大于512字節，這一個扇區又如何能夠載下Grub所有的內容呢？為了解決這個問題，實際上Grub的啟動是分成兩段完成的。第一段以stage1作為主引導程序，它的主要任務是定位和裝載第二段引導程序，并轉交控制權，即stage2。Grub目錄中的內容如下：

[root@localhost grub]# cd /boot/grub/
[root@localhost grub]# ls-l
total 257
-rw-r--r-- 1 root root     63 Oct  7 21:02 device.map
-rw-r--r-- 1 root root   7584 Oct  7 21:02 e2fs_stage1_5
-rw-r--r-- 1 root root   7456 Oct  7 21:02 fat_stage1_5
-rw-r--r-- 1 root root   6720 Oct  7 21:02 ffs_stage1_5
-rw------- 1 root root    573 Oct  7 21:02 grub.conf
-rw-r--r-- 1 root root   6720 Oct  7 21:02 iso9660_stage1_5
-rw-r--r-- 1 root root   8192 Oct  7 21:02 jfs_stage1_5
lrwxrwxrwx 1 root root     11 Oct  7 21:02 menu.lst-> ./grub.conf
-rw-r--r-- 1 root root   6880 Oct  7 21:02 minix_stage1_5
-rw-r--r-- 1 root root   9248 Oct  7 21:02 reiserfs_stage1_5
-rw-r--r-- 1 root root  55808 Mar 13  2009 splash.xpm.gz
-rw-r--r-- 1 root root    512 Oct  7 21:02 stage1
-rw-r--r-- 1 root root 104988 Oct  7 21:02 stage2
-rw-r--r-- 1 root root   7072 Oct  7 21:02 ufs2_stage1_5
-rw-r--r-- 1 root root   6272 Oct  7 21:02 vstafs_stage1_5
-rw-r--r-- 1 root root   8904 Oct  7 21:02 xfs_stage1_5

注意一下，有一個stage1的文件，大小為512字節，正好是一個扇區的大小。其實這不是一個巧合，stage1確實是MBR的一個副本。還可以看到有很多文件是以stage1_5結尾的，事實上這些文件是各種文件系統的驅動文件，當stage1從不同的文件系統中讀取stage2時將用到這些驅動文件。

對Grub的配置可以通過修改Grub的配置文件完成，一般配置文件為/boot/grub/grub. conf。修改后的配置將直接影響下次引導時的行為。下面是系統安裝過程中自動生成的配置：

# grub.conf generated by anaconda
#
# Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file
# NOTICE:  You have a /boot partition.  This means that
#          all kernel and initrd paths are relative to /boot/,eg.
#          root (hd0,0)
#          kernel /vmlinuz-version ro root=/dev/sda3
#          initrd /initrd-version.img
#boot=/dev/sda
default=0
timeout=5
splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz
hiddenmenu
title CentOS (2.6.18-194.el5)
        root (hd0,0)
        kernel /vmlinuz-2.6.18-194.el5 ro root=LABEL=/rhgb quiet
        initrd /initrd-2.6.18-194.el5.img

其中，default=0的含義是默認從第一個title處啟動。這里的配置文件中只有一個title項，但是如果還有第二個title項，則可以配置默認從第二個title處引導系統，只要把default改為1就可以了（注意這里的計數是從0開始的）。

timeout=5的含義是顯示這個title項時，同時有5秒倒計時，5秒內可以按回車鍵提前從默認的啟動項中啟動，也可以按上下鍵立即停止倒計時，選定一個title，然后按回車鍵確認從選定的title中啟動。也可以選定某一個title后，按e鍵進入編輯模式，這樣可以即時對Grub進行配置，但是這時的配置并不會寫入配置文件中，而只是當時生效。

splashimage是指定啟動時的背景圖像。如果系統使用的是sata磁盤，則命名規則為：第一塊磁盤是sda，第二塊磁盤是sdb，以此類推。對磁盤進行分區后的分區命名規則是，第一個磁盤的第一個分區是sda1，第一個磁盤的第二個分區是sda2，第二個磁盤的第一個分區是sdb1，第二個磁盤的第二個分區是sdb2。而Grub使用hd0代表第一塊磁盤，而這里（hd0,0）的含義是第一塊磁盤的第一個分區。所以(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz的絕對路徑就是/boot/grub/splash.xpm.gz，這是一個壓縮文件，Grub在啟動時會自動對該文件做解壓縮。

hiddenmenu是設置啟動時是否顯示菜單。

title是系統引導時顯示的名字，這只是一種識別性的文字，可以任意修改。文件的最后3行是相互關聯的，第一行root（hd0,0）參數指定了內核放置的分區；第二行kernel/vmlinuz-2.6.18-194.el5 ro root=LABEL=/rhgb quiet指定了內核的路徑，表示內核是（hd0,0）分區中的vmlinuz-2.6.18-194.el5文件，ro root=LABEL=/rhgb quiet是啟動內核時向內核傳入的參數；最后一行initrd/initrd-2.6.18-194.el5.img指定了initrd文件的路徑是（hd0,0）中的initrd-2.6.18-194.el5.img文件。

這里第一次提到initrd文件，其英文含義是boot loader initialized RAM disk，也就是boot loader用于初始化的內存磁盤，是系統啟動時的臨時文件系統，kernel通過讀取initrd來獲得各種可執行文件和設備驅動，并掛載真實的文件系統，然后卸載這個臨時文件系統。在桌面或者Linux服務器中，initrd文件只是一個臨時的文件系統，其生命周期很短，只會用作掛載真實文件系統的一個接力，在很多嵌入式系統中，由于不需要外接大存儲設備，所以initrd會作為永久的文件系統直接使用。