Linux操作系统启动详解

1. 操作系统启动概念

　　不管是Windows还是Linux操作系统，底层设备一般均为物理硬件，操作系统启动之前会对硬件进行检测，然后硬盘引导启动操作系统，如下为操作系统启动相关的各个概念：

1.1 BIOS

　　基本输入输出系统（Basic Input Output System，BIOS）是一组固化到计算机主板上的只读内存镜像（Read Only Memory image，ROM）芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机后自检程序和系统自启动程序。主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。

1.2 MBR　

　　全新硬盘在使用之前必须进行分区格式化，硬盘分区初始化的格式主要由两种，分别是：MBR格式和GPT格式。

　　如果使用MBR格式，操作系统将创建主引导记录扇区（Main Boot Record，MBR），MBR位于整块硬盘的0磁道0柱面1扇区，主要功能是操作系统对磁盘进行读写时，判断分区的合法性以及分区引导信息的定位。

　　主引导扇区总共为512字节，MBR只占用了其中的446个字节，另外的64个字节为硬盘分区表 (Disk Partition Table，DPT)，最后两个字节“55，AA”是分区的结束标志。

　　在MBR硬盘中，硬盘分区信息直接存储于主引导记录（MBR）中，同时主引导记录还存储着系统的引导程序，如图所示：

 　　MBR是计算机启动最先执行的硬盘上的程序，只有512字节大小，所以不能载入操作系统的核心，只能先载入一个可以载入计算机核心的程序，我们称之为引导程序。

　　因为MBR分区标准决定了MBR只支持在2TB以下的硬盘，对于后面的多余空间只能浪费。为了支持能使用大于2T硬盘空间，微软和英特尔公司在可扩展固件接口(Extensible Firmware Interface，EFI)方案中开发了全局唯一的标识符（Globally unique identifier，GUID），进而全面支持大于2T硬盘空间在企业中使用。

1.3 GPT

　　全局唯一的标识符（Globally unique identifier，GUID），正逐渐取代MBR成为新标准。它和统一的可扩展固件接口 (Unified Extensible Firmware Interface,UEFI)相辅相成。

　　UEFI用于取代老旧的BIOS，而GPT则取代老旧的MBR。之所以称为“GUID分区表”，是因为驱动器上的每个分区都有一个全局唯一的标识符。

　　在GPT硬盘中，分区表的位置信息储存在GPT头中。出于兼容性考虑，第一个扇区同样有一个与MBR类似的标记，叫做受保护的主引导记录（Protected Main Boot Record，PMBR）。

　　PMBR的作用是当使用不支持GPT的分区工具时，整个硬盘将显示为一个受保护的分区，以防止分区表及硬盘数据遭到破坏，而其中存储的内容和MBR一样，之后才是GPT头。

　　GPT优点支持2T以上磁盘，如果使用Fdisk分区，最大只能建立2TB大小的分区，创建大于2TB的分区，需使用parted，同时必须使用64位操作系统，Mac、Linux系统都能支持GPT分区格式，Windows 7/8 64bit、Windows Server 2008 64bit支持GPT。如图所示，为GPT硬盘分区表内容：

1.4 GRUB

　　GNU项目的多操作系统启动程序（GRand Unified Bootloader，GRUB），可以支持多操作系统的引导，它允许用户可以在计算机内同时拥有多个操作系统，并在计算机启动时选择希望运行的操作系统。

　　GRUB可用于选择操作系统分区上的不同内核，也可用于向这些内核传递启动参数。它是一个多重操作系统启动管理器。用来引导不同系统，如Windows，Linux。Linux常见的引导程序包括：LILO、GRUB、GRUB2，CentOS 7 Linux默认使用GRUB2引导程序，引导系统启动。如图所示为GRUB加载引导流程：

　　GRUB2是基于GRUB开发成更加安全强大的多系统引导程序，最新Linux发行版都是使用GRUB2作为引导程序。同时GRUB2采用了模块化设计，使得GRUB2核心更加精炼，使用更加灵活，同时也就不需要像GRUB分为stage1,stage1.5,stage2三个阶段。

2. linux系统启动启动流程

　　初学者对Linux操作系统启动流程的理解，能有助于后期在企业中更好的维护Linux服务器，能快速定位系统问题，进而解决问题。Linux操作系统启动流程如图所示：

2.1 加载BIOS

　　计算机电源加电质检，首先加载基本输入输出系统（Basic Input Output System，BIOS），BIOS中包含硬件CPU、内存、硬盘等相关信息，包含设备启动顺序信息、硬盘信息、内存信息、时钟信息、即插即用（Plug-and-Play，PNP）特性等。加载完BIOS信息，计算机将根据顺序进行启动。

2.2 读取MBR

　　读取完BIOS信息，计算机将会查找BIOS所指定的硬盘MBR引导扇区，将其内容复制到0x7c00地址所在的物理内存中。被复制到物理内存的内容是Boot Loader，然后进行引导。

2.3 GRUB引导

　　GRUB启动引导器是计算机启动过程中运行的第一个软件程序，当计算机读取内存中的GRUB配置信息后，会根据其配置信息来启动硬盘中不同的操作系统。

2.4 加载kernel

　　计算机读取内存映像，并进行解压缩操作，屏幕一般会输出“Uncompressing Linux”的提示，当解压缩内核完成后，屏幕输出“OK, booting the kernel”。系统将解压后的内核放置在内存之中，并调用start_kernel()函数来启动一系列的初始化函数并初始化各种设备，完成Linux核心环境的建立。

2.5 设定Inittab运行等级

　　内核加载完毕，会启动Linux操作系统第一个守护进程init，然后通过该进程读取/etc/inittab文件，/etc/inittab文件的作用是设定Linux的运行等级，Linux常见运行级别如下：

0：关机模式；
1：单用户模式；
2：无网络支持的多用户模式；
3：字符界面多用户模式；
4：保留，未使用模式；
5：图像界面多用户模式；
6：重新引导系统，重启模式。

2.6 加载rc.sysinit

　　读取完运行级别，Linux系统执行的第一个用户层文件/etc/rc.d/rc.sysinit，该文件功能包括：设定PATH运行变量、设定网络配置、启动swap分区、设定/proc、系统函数、配置Selinux等。

2.7 加载内核模块

　　读取/etc/modules.conf文件及/etc/modules.d目录下的文件来加载系统内核模块。该模块文件，可以后期添加或者修改及删除。

2.8 启动运行级别程序

　　根据之前读取的运行级别，操作系统会运行rc0.d到rc6.d中的相应的脚本程序，来完成相应的初始化工作和启动相应的服务。其中以S开头表示系统即将启动的程序，如果以K开头，则代表停止该服务。S和K后紧跟的数字为启动顺序编号。

2.9 读取rc.local文件

　　操作系统启动完相应服务之后，会读取执行/etc/rc.d/rc.local文件，可以将需要开机启动的任务加入到该文件末尾，系统会逐行去执行并启动相应命令。

2.10 执行/bin/login程序

　　执行/bin/login程序，启动到系统登录界面，操作系统等待用户输入用户名和密码，即可登录到Shell终端，如图3-7所示，输入用户名、密码即可登录Linux操作系统，至此Linux操作系统完整流程启动完毕。