Linux 开机流程分析

一） Linux的开机流程

 

【step 1】  加载BIOS硬件信息，寻找启动磁盘（Boot Disk）；

 

【step 2】   读取MBR中的内核加载程序（Kernel Loader, 一般是LILO或者GRUB），这个程序的作用就是加载存储在某个位置的操作系统内核；

 

【step 3】  加载操作系统核心Kernel。内核的主要工作就是检测所有的硬件设备，并为它们加载驱动程序。

 

     驱动程序有两种，即静态驱动程序（static driver)和动态驱动程序（dynamic driver）。前者以内核镜像文件的形式存在，后者则存储在文件系统上。此时，文件系统尚未挂载到系统中，所以只有静态驱动程序能被使用来驱动硬件设备。

     内核另一个任务是以只读方式挂载根文件系统。挂载根目录系统的过程请参看本文的第三部分。根文件系统必须包含如下几个目录，也就是说下面几个目录只能放在根目录下面：（1）/etc/；（2）/bin/；（3）/sbin/；（4）/lib/；（5）/dev/。如果这5个目录不在根目录下面，会导致系统启动失败。

     挂载了根文件系统后，系统就能安装适当的内核模块，启用某些功能，并且能调用之前所说的动态驱动程序来驱动默写硬件设备；系统还能启动存储于根文件系统中的init服务，以便让它来接受后续的启动工作。

 

【step 4】  Kernel执行进程/sbin/init，并取得默认的运行级别（run level），在Red Hat中，init从/etc/inittab中获取run level。

 

  【step 4.1 】init执行/etc/rc.d/rc.sysinit文件

      这个script的主要功能是进行Linux系统环境的配置，诸如界面文字字体、时间、系统记录等。这里实现的功能比较多，期间还要加载Linux系统的一些内置功能及变量，如PATH或umask。

  如：

   * 设置主机名

      if [ -f /etc/sysconfig/network ]; then
             . /etc/sysconfig/network
      fi

 

   * 初始化硬件设备，包括定义在/etc/modprobe.conf的模块，ISA PnP的硬件设备和USB设备。

 

   * 设置内核参数

      # Configure kernel parameters
      update_boot_stage RCkernelparam
      sysctl -e -p /etc/sysctl.conf >/dev/null 2>&1

 

   * 设置系统时间

  

   * 启用置换内存空间

 

   * 检查并挂载所有文件系统，并且将根文件系统的挂载参数设置为可读可写。

      # Remount the root filesystem read-write.
      update_boot_stage RCmountfs
      if remount_needed ; then
           action $"Remounting root filesystem in read-write mode: " mount -n -o remount,rw /
      fi

    

    * 启用软件磁盘阵列与LVM

 

    * 初始化串行端口设备

 

    * 清除过期的锁定文件与IPC文件

 

    * 重新设置硬盘参数

 

  【step 4.2】 init根据默认运行级别，调用/etc/rc.d/rc x，运行级别作为输入参数x。实际上这个script就是执行/etc/rc.d/rcx.d中的批次文件，来启动系统的各项服务；

 

  【step 4.4】 init执行文件/etc/rc.d/rc.local

   rc.local是整个启动过程中唯一一个可以修改的RC Script。如果希望在系统启动过程中执行什么命令，就可以把它们放在这里。

 

   init服务的整个过程都定义在/etc/inittab

 

【step 5】   系统执行/bin/login

 

【step 6】  shell接管主机

 

二）Linux系统开机流程图

 

 在邱世华的书《系统架构与目录解析》中，他绘制了一幅系统启动的流程图，我摘录于此，也可作为参考。

 

图1 Linux系统启动流程图

 

Initrd：由GRUB协助一并载入initrd文件，让kernel支持更多硬件。这是邱世华在书中给出的解释。对照上面文中对系统启动流程的描述，我推断Initrd主要完成下面工作：1）加载硬件设备的静态驱动程序；2）帮助内核挂载根文件系统，当然是以只读的方式。 

 

三）根目录的建立过程

     开机管理程序（GRUB）启动了操作系统，在加载kernel到内存中之后（step 3），kernel会自行在内存中建立一块叫做rootfs的区域供其本身使用（RAMDISK技术），而里面的功能都是kernel本身所提供的，也就是在编译kernel时所赋予的能力。

     kernel加载完成之后，下一个initrd会加载正确的模块，并且在正确地辨认出存储设备的硬件之后，将系统分割区准确地挂载到根目录上，产生出一般使用的【/】根目录。

 

四） 解析initrd

 

参考文献：《linux操作系统之奥秘》，作者：邱世华

4.1 内核（kernel）加载initrd的过程

 

      initrd的全称是initial ramdisk。顾名思义就是激活系统所需加载的文件系统。系统加载initrd的过程：

1） 当GRUB加载kernel时，kernel会先在内存中制造一个rootfs当做临时的空间供系统使用；

2） kernel会将initrd作为一个系统将其mount到rootfs上激活；

3） initrd将负责协助开机时加载kernel所无法提供的模块，包硬盘的驱动程序，及其他所有必须预先加载的驱动程序。

 

4.2 initrd的内容是什么？

 

      initrd文件其实是一个gzip压缩过的cpio备份文件。所以将其中的真实内容呈现出阿里，需要先解压缩，再进行备份文件的还原。具体的步骤如下。

 

step 1： 建立一个空目录，并将initrd文件拷贝一份到目录下;

# mkdir /tmp/initrd

# cp /boot/initrd-2.6.25-14.fc9.i686.img /tmp/initrd

 

step 2： 将initrd的拷贝文件改名为.gz文件；

# cd /tmp/initrd

# mv initrd-2.6.25-14.fc9.i686.img initrd-2.6.25-14.fc9.i686.gz

 

step 3： 将其解压缩；

# gunzip initrd-2.6.25-14.fc9.i686.gz

 

step 4： 将备份文件还原。

# cpio -id <initrd-2.6.25-14.fc9.i686

 

 4.3 initrd中的目录架构

　　执行了上面的命令之后，就可以看到initrd文件的真面目了。

        [root@airhouse initrd]# ls -lF | grep -v initrd
        total 7508

       drwx------ 2 root root    4096 2009-10-12 10:37 bin/
       drwx------ 3 root root    4096 2009-10-12 10:37 dev/
       drwx------ 4 root root    4096 2009-10-12 10:37 etc/
       drwx------ 2 root root    4096 2009-10-12 10:37 firmware/
       -rwx------ 1 root root    2091 2009-10-12 10:37 init*
       drwx------ 4 root root    4096 2009-10-12 10:37 lib/
       drwx------ 2 root root    4096 2009-10-12 10:37 proc/
       lrwxrwxrwx 1 root root       3 2009-10-12 10:37 sbin -> bin/
       drwx------ 2 root root    4096 2009-10-12 10:37 sys/
       drwx------ 2 root root    4096 2009-10-12 10:37 sysroot/ 
       drwx------ 3 root root    4096 2009-10-12 10:37 usr/

 

      当kernel激活并加载initrd时，并没有任何系统的目录架构，这时会先以initrd所提供的目录当做系统的暂时目录。

 

      其中，最重要的当属文件init。kernel在访问initrd时，会以此文件按其内容依次完成，它负责所有从kernel交接给文件系统中操作系统的大小事务，从建立使用的目录到加载所有的模块都是靠这个script来完成。

 

      initrd还有一个重要的使命，就是加载各种需要在开启操作系统之前就抓到的设备。这些设备当然可以放入kernel中，但是这样造成kernel文件变大，如果加入initrd中，kernel只需要按照init文件一步一步执行就可以加载这些设备。

 

4.4 initrd的init文件

 

      initrd的所有工作是按照一个叫init的脚本文件进行的。它的主要内容如下。

 

      #!/bin/nash                                                       #nash指令

 

      mount -t proc /proc /proc                                  # 挂载主要的文件系统/proc和/sys
      setquiet
      echo Mounting proc filesystem
      echo Mounting sysfs filesystem
      mount -t sysfs /sys /sys

 

      echo Creating /dev                                            # 建立设备文件所需的文件系统
      mount -o mode=0755 -t tmpfs /dev /dev
      mkdir /dev/pts
      mount -t devpts -o gid=5,mode=620 /dev/pts /dev/pts
      mkdir /dev/shm
      mkdir /dev/mapper

      echo Creating initial device nodes                     # 建立最初所需使用的硬件设备
      mknod /dev/null c 1 3
      mknod /dev/zero c 1 5
      mknod /dev/systty c 4 0
      mknod /dev/tty c 5 0
      mknod /dev/console c 5 1
      mknod /dev/ptmx c 5 2
      mknod /dev/tty0 c 4 0
      mknod /dev/tty1 c 4 1

      ... ...
      mknod /dev/ttyS0 c 4 64
      mknod /dev/ttyS1 c 4 65

      ... ...
      echo Setting up hotplug.
      hotplug

 

      echo Creating block device nodes.                     # 加载相关模块
      mkblkdevs
      echo "Loading ehci-hcd module"
      modprobe -q ehci-hcd
      echo "Loading ohci-hcd module"
      modprobe -q ohci-hcd
      echo Making device-mapper control node
      mkdmnod
      modprobe scsi_wait_scan
      rmmod scsi_wait_scan
      mkblkdevs

      echo Scanning logical volumes                            # 扫描LVM
      lvm vgscan --ignorelockingfailure
      echo Activating logical volumes
      lvm vgchange -ay --ignorelockingfailure  VolGroup00
      resume /dev/VolGroup00/LogVol01

      echo Creating root device.
      mkrootdev -t ext3 -o defaults,ro /dev/VolGroup00/LogVol00
      echo Mounting root filesystem.
      mount /sysroot

 

      echo Setting up other filesystems.                      # 切入实体操作系统
      setuproot
      loadpolicy
      echo Switching to new root and running init.
      switchroot
      echo Booting has failed.
      sleep -1