linux的启动流程详解
linux启动流程
⼀、第⼀阶段：BIOS
上个世纪70年代初，"只读内存"（read-only memory，缩写为ROM）发明，开机程序被刷⼊ROM芯⽚，计算机通电后，第⼀件事就是读取它。
这块芯⽚⾥的程序叫做"基本輸出輸⼊系統"（Basic Input/Output System），简称为BIOS。
1.1 硬件⾃检
BIOS程序⾸先检查，计算机硬件能否满⾜运⾏的基本条件，这叫做"硬件⾃检"（Power-On Self-Test），缩写为POST。
如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动中⽌。如果没有问题，屏幕就会显⽰出CPU、内存、硬盘等信息。
1.2 启动顺序
硬件⾃检完成后，BIOS把控制权转交给下⼀阶段的启动程序。
这时，BIOS需要知道，"下⼀阶段的启动程序"具体存放在哪⼀个设备。也就是说，BIOS需要有⼀个外部储存设备的排序，排在前⾯的设备就是优先转交控制权的设备。这种排序叫做"启动顺序"（Boot Sequence）。
打开BIOS的操作界⾯，⾥⾯有⼀项就是"设定启动顺序"。
⼆、第⼆阶段：主引导记录
BIOS按照"启动顺序"，把控制权转交给排在第⼀位的储存设备。
这时，计算机读取该设备的第⼀个扇区，也就是读取最前⾯的512个字节。如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以⽤于启动；如果不是，表明设备不能⽤于启动，控制权于是被转交给"启动顺序"中的下⼀个设备。
这最前⾯的512个字节，就叫做"主引导记录"（Master boot record，缩写为MBR）。
2.1 主引导记录的结构
"主引导记录"只有512个字节，放不了太多东西。它的主要作⽤是，告诉计算机到硬盘的哪⼀个位置去操作系统。
主引导记录由三个部分组成：
  （1） 第1-446字节：调⽤操作系统的机器码。
  （2） 第447-510字节：分区表（Partition table）。
  （3） 第511-512字节：主引导记录签名（0x55和0xAA）。
其中，第⼆部分"分区表"的作⽤，是将硬盘分成若⼲个区。
2.2 分区表
硬盘分区有很多好处。考虑到每个区可以安装不同的操作系统，"主引导记录"因此必须知道将控制权转交给哪个区。
分区表的长度只有64个字节，⾥⾯⼜分成四项，每项16个字节。所以，⼀个硬盘最多只能分四个⼀级分区，⼜叫做"主分区"。
每个主分区的16个字节，由6个部分组成：
  （1） 第1个字节：如果为0x80，就表⽰该主分区是激活分区，控制权要转交给这个分区。四个主分区⾥⾯只能有⼀个是激活的。
  （2） 第2-4个字节：主分区第⼀个扇区的物理位置（柱⾯、磁头、扇区号等等）。
  （3） 第5个字节：主分区类型。
  （4） 第6-8个字节：主分区最后⼀个扇区的物理位置。
  （5） 第9-12字节：该主分区第⼀个扇区的逻辑地址。
  （6） 第13-16字节：主分区的扇区总数。
最后的四个字节（"主分区的扇区总数"），决定了这个主分区的长度。也就是说，⼀个主分区的扇区总数最多不超过2的32次⽅。
如果每个扇区为512个字节，就意味着单个分区最⼤不超过2TB。再考虑到扇区的逻辑地址也是32位，所以单个硬盘可利⽤的空间最⼤也不超过2TB。如果想使⽤更⼤的硬盘，只有2个⽅法：⼀是提⾼每个扇区的字节数，⼆是增加扇区总数。
三、第三阶段：硬盘启动
这时，计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区了，这⾥⼜分成三种情况。
3.1 情况A：卷引导记录
上⼀节提到，四个主分区⾥⾯，只有⼀个是激活的。计算机会读取激活分区的第⼀个扇区，叫做"卷引导记录"（Volume boot record，缩写为VBR）。
"卷引导记录"的主要作⽤是，告诉计算机，操作系统在这个分区⾥的位置。然后，计算机就会加载操作系统了。
3.2 情况B：扩展分区和逻辑分区
linux系统是哪个
随着硬盘越来越⼤，四个主分区已经不够了，需要更多的分区。但是，分区表只有四项，因此规定有且仅有⼀个区可以被定义成"扩展分区"（Extended partition）。
所谓"扩展分区"，就是指这个区⾥⾯⼜分成多个区。这种分区⾥⾯的分区，就叫做"逻辑分区"（logical partition）。
计算机先读取扩展分区的第⼀个扇区，叫做"扩展引导记录"（Extended boot record，缩写为EBR）。它⾥⾯也包含⼀张64字节的分区表，但是最多只有两项（也就是两个逻辑分区）。
计算机接着读取第⼆个逻辑分区的第⼀个扇区，再从⾥⾯的分区表中到第三个逻辑分区的位置，以此类推，直到某个逻辑分区的分区表只包含它⾃⾝为⽌（即只有⼀个分区项）。因此，扩展分区可以包含⽆数个逻辑分区。
但是，似乎很少通过这种⽅式启动操作系统。如果操作系统确实安装在扩展分区，⼀般采⽤下⼀种⽅式启动。
3.3 情况C：启动管理器
在这种情况下，计算机读取"主引导记录"前⾯446字节的机器码之后，不再把控制权转交给某⼀个分区，⽽是运⾏事先安装的"启动管理器"（boot loader），由⽤户选择启动哪⼀个操作系统。
Linux环境中，⽬前最流⾏的启动管理器是Grub。
四、第四阶段：操作系统
控制权转交给操作系统后，操作系统的内核⾸先被载⼊内存。
以Linux系统为例，先载⼊/boot⽬录下⾯的kernel。内核加载成功后，第⼀个运⾏的程序是/sbin/init。它根据配置⽂件（Debian系统是/etc/initab）产⽣init进程。这是Linux启动后的第⼀个进程，pid进程编号为1，其他进程都是它的后代。
然后，init线程加载系统的各个模块，⽐如窗⼝程序和⽹络程序，直⾄执⾏/bin/login程序，跳出登录界⾯，等待⽤户输⼊⽤户名和密码。
⾄此，全部启动过程完成。
分割线：扩展知识
半年前，我写了，探讨BIOS和主引导记录的作⽤。
那篇⽂章不涉及操作系统，只与主板的板载程序有关。今天，我想接着往下写，探讨操作系统接管硬件以后发⽣的事情，也就是操作系统的启动流程。
这个部分⽐较有意思。因为在BIOS阶段，计算机的⾏为基本上被写死了，程序员可以做的事情并不多；但是，⼀旦进⼊操作系统，程序员⼏乎可以定制所有⽅⾯。所以，这个部分与程序员的关系更密切。
我主要关⼼的是Linux操作系统，它是⽬前服务器端的主流操作系统。下⾯的内容针对的是发⾏版，因为我对其他发⾏版不够熟悉。
第⼀步、加载内核
操作系统接管硬件以后，⾸先读⼊ /boot ⽬录下的内核⽂件。
以我的电脑为例，/boot ⽬录下⾯⼤概是这样⼀些⽂件：
  $ ls /boot
  config-3.2.0-3-amd64
  config-3.2.0-4-amd64
  grub
  initrd.img-3.2.0-3-amd64
  initrd.img-3.2.0-4-amd64
  System.map-3.2.0-3-amd64
  System.map-3.2.0-4-amd64
  vmlinuz-3.2.0-3-amd64
  vmlinuz-3.2.0-4-amd64
第⼆步、启动初始化进程
内核⽂件加载以后，就开始运⾏第⼀个程序 /sbin/init，它的作⽤是初始化系统环境。
由于init是第⼀个运⾏的程序，它的进程编号（pid）就是1。其他所有进程都从它衍⽣，都是它的⼦进程。
第三步、确定运⾏级别
许多程序需要开机启动。它们在Windows叫做"服务"（service），在Linux就叫做""（daemon）。
init进程的⼀⼤任务，就是去运⾏这些开机启动的程序。但是，不同的场合需要启动不同的程序，⽐如⽤作服务器时，需要启动Apache，⽤作桌⾯就不需要。Linux允许为不同的场合，分配不同的开机启动程序，这就叫做""（runlevel）。也就是说，启动时根据"运⾏级别"，确定要运⾏哪些程序。
Linux预置七种运⾏级别（0-6）。⼀般来说，0是关机，1是单⽤户模式（也就是维护模式），6是重启。运⾏级别2-5，各个发⾏版不太⼀样，对于Debian来说，都是同样的多⽤户模式（也就是正常模式）。
init进程⾸先读取⽂件 /etc/inittab，它是运⾏级别的设置⽂件。如果你打开它，可以看到第⼀⾏是这样的：
  id:2:initdefault:
initdefault的值是2，表明系统启动时的运⾏级别为2。如果需要指定其他级别，可以⼿动修改这个值。
那么，运⾏级别2有些什么程序呢，系统怎么知道每个级别应该加载哪些程序呢？......回答是每个运⾏级别在/etc⽬录下⾯，都有⼀个对应的⼦⽬录，指定要加载的程序。
  /etc/rc0.d
  /etc/rc1.d
  /etc/rc2.d
  /etc/rc3.d
  /etc/rc4.d
  /etc/rc5.d
  /etc/rc6.d
上⾯⽬录名中的"rc"，表⽰run command（运⾏程序），最后的d表⽰directory（⽬录）。下⾯让我们看看 /etc/rc2.d ⽬录中到底指定了哪些程序。
  $ ls  /etc/rc2.d
  README
  S01motd
  S13rpcbind
  S14nfs-common
  S16binfmt-support
  S16rsyslog
  S16sudo
  S17apache2
  S18acpid
  ...
可以看到，除了第⼀个⽂件README以外，其他⽂件名都是"字母S+两位数字+程序名"的形式。字母S
表⽰Start，也就是启动的意思（启动脚本的运⾏参数为start），如果这个位置是字母K，就代表Kill（关闭），即如果从其他运⾏级别切换过来，需要关闭的程序（启动脚本的运⾏参数为stop）。后⾯的两位数字表⽰处理顺序，数字越⼩越早处理，所以第⼀个启动的程序是motd，然后是rpcbing、数字相同时，则按照程序名的字母顺序启动，所以rsyslog会先于sudo启动。
这个⽬录⾥的所有⽂件（除了README），就是启动时要加载的程序。如果想增加或删除某些程序，不建议⼿动修改 /etc/rcN.d ⽬录，最好是⽤⼀些专门命令进⾏管理（参考和）。
第四步、加载开机启动程序
前⾯提到，七种预设的"运⾏级别"各⾃有⼀个⽬录，存放需要开机启动的程序。不难想到，如果多个"运⾏级别"需要启动同⼀个程序，那么这个程序的启动脚本，就会在每⼀个⽬录⾥都有⼀个拷贝。这样会造成管理上的困扰：如果要修改启动脚本，岂不是每个⽬录都要改⼀遍？
Linux的解决办法，就是七个 /etc/rcN.d ⽬录⾥列出的程序，都设为链接⽂件，指向另外⼀个⽬录 /etc/init.d ，真正的启动脚本都统⼀放在这个⽬录中。init进程逐⼀加载开机启动程序，其实就是运⾏这个⽬录⾥的启动脚本。
下⾯就是链接⽂件真正的指向。
  $ ls -l /etc/rc2.d
  README
  S01motd -> ../init.d/motd
  S13rpcbind -> ../init.d/rpcbind
  S14nfs-common -> ../init.d/nfs-common
  S16binfmt-support -> ../init.d/binfmt-support
  S16rsyslog -> ../init.d/rsyslog
  S16sudo -> ../init.d/sudo
  S17apache2 -> ../init.d/apache2
  S18acpid -> ../init.d/acpid
  ...
这样做的另⼀个好处，就是如果你要⼿动关闭或重启某个进程，直接到⽬录 /etc/init.d 中寻启动脚本即可。⽐如，我要重启Apache服务器，就运⾏下⾯的命令：
  $ sudo /etc/init.d/apache2 restart
/etc/init.d 这个⽬录名最后⼀个字母d，是directory的意思，表⽰这是⼀个⽬录，⽤来与程序 /etc/init 区分。
第五步、⽤户登录
开机启动程序加载完毕以后，就要让⽤户登录了。
⼀般来说，⽤户的登录⽅式有三种：
  （1）命令⾏登录
  （2）ssh登录
  （3）图形界⾯登录
这三种情况，都有⾃⼰的⽅式对⽤户进⾏认证。
（1）命令⾏登录：init进程调⽤getty程序（意为get teletype），让⽤户输⼊⽤户名和密码。输⼊完成后，再调⽤login程序，核对密码（Debian还会再多运⾏⼀个⾝份核对程
序/etc/pam.d/login）。如果密码正确，就从⽂件 /etc/passwd 读取该⽤户指定的shell，然后启动这个shell。
（2）ssh登录：这时系统调⽤sshd程序（Debian还会再运⾏/etc/pam.d/ssh ），取代getty和login，然后启动shell。

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