7.2.2 引导加载程序启动_Linux从入门到精通（第2版）-QQ阅读男生都市网

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第7章系统启动初始化

本章主要内容

● 系统启动概述。

● 系统启动过程。

Linux系统的启动分多个阶段进行，每个阶段都完成不同的任务。在其启动过程的每个阶段，都是在继承上阶段的工作后完成自己的工作。

Linux系统的启动由GRUB多重开机引导程序引导，它负责引导的阶段包括引导加载程序启动、内核映像加载和init进程初始化这三个阶段，在系统的启动过程中每个阶段都不能中断。

7.1 系统启动概述

Linux系统的启动主要由4个阶段组成，分别是BIOS加电自检、引导加载程序、内核映像加载和init进程初始化，如图7-1所示。

图7-1 系统启动的过程

对于启动的每个阶段，其都是继承上一个阶段的工作，然后接着来完成属于自己的工作，之后再交给下一个阶段继续来完成。

从系统启动进入引导加载程序（boot loader）开始到执行系统第一个进程init 的这段时间里，这些启动操作都是由多重开机管理程序（GRand Unified Bootloader，GRUB）来负责管理的。也就是说，除BIOS加电自检阶段之外，其他的三个阶段都在GRUB的管理范围内，如图7-2所示。

图7-2 GRUB管理的范围

1．BIOS加电自检

计算机通电后，BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统）将对计算机硬件设备进行检查。接着进入启动盘的第一个块中最开始处只有512 字节的MBR（Master Boot Record，主引导记录）区，并将MBR中的引导加载程序加载到内核中，交由引导加载程序执行。

2．引导加载程序启动

引导加载程序（boot loader）将查找加载到内核中的MBR主引导加载程序和次引导程序，在次引导加载程序被主引导加载程序启动后，Linux的内核就加载，此时就启动GRUB多项菜单图形引导界面，之后将控制权交给内核映像。

3．内核映像加载

Linux 内核映像获得控制权后，接着将对自身进行解压缩，然后将系统的核心程序加载到内存中，同时初始化与文件系统有关的虚拟设备，并在这些设备完好的情况下就执行/sbin/init文件来启动第一个系统进程——init进程。

4．Init进程初始化工作

Init进程通过调用/etc/rc.d/rc.sysinit和/etc/rc.d/rc*.d目录中的程序进行初始化，并启动特定的运行级别。Init 进程是所有进程的发起者和控制者，其不会自动终止。系统的其他进程参照 init产生并受到init 过程的控制。

7.2 系统启动过程

Linux 操作系统的启动主要是由 4 个阶段组成，其中 GRUB 就负责三个阶段的启动管理工作，系统的每个启动阶段都完成不同的任务，且这些阶段所未完成的工作总由下一个阶段来完成。

在这4个阶段中，从MBR载入引导加载程序到系统执行/sbin/init 文件都是由 GRUB负责的。如图7-3所示的是RHEL4的GRUB引导界面。

图7-3 RHEL4的GRUB引导界面

自Linux内核被加载后就启动GRUB多菜单选项图形引导界面，但在默认情况下该界面是隐藏的，因此开机之后出现图7-3所示的界面时按任何键就可以看到隐藏的GRUB多菜单选项图形引导界面，如图7-4所示，这时就可以用键盘的上下键来选取某个菜单引导开机。

图7-4 多个开机菜单

7.2.1 BIOS加电自检

计算机上电后，首先进行计算机硬件设备的检查，即所说的BIOS 加电自检（Power On Self Test，POST）。主要包括初始化组件、检测硬件、分配资源、协助加载操作系统等以及选择开机的引导设备。

BIOS 为Base Input Output System（基本输入输出系统）的缩写，是非常基本的硬件和软件接口，其为系统的成功启动提供最基本的机制。如当电源接通的瞬间，由 BIOS 负责检测与所有硬件的沟通并将计算机呈现在用户面前。

在选择开机引导设备之后，接着将读取硬盘上的MBR（Master Boot Record，主引导记录）中的引导加载程序，并将引导程序加载到内存中。此时 BIOS 将控制权移交给引导加载程序，由后者接着引导系统的启动。如图7-5所示，这是一张已安装操作系统且有三个分区的IDE硬盘，而在这块硬盘的最开始处有一个包含引导程序、分区信息等大小为512字节的MBR区，如图7-6所示。

图7-5 硬盘上的分区结构

图7-6 MBR的位置及存储的信息

温馨提示：MBR不属于任何一个操作系统，它负责磁盘操作系统（Disk Operating System， DOS）对磁盘进行读写时分区合法性的判别、分区引导信息的定位，它由DOS在对硬盘进行初始化时产生，不能用操作系统提供的磁盘操作命令来读取它。

7.2.2 引导加载程序启动

BIOS 完成自检之后，将进入引导加载程序的启动。启动分为两个阶段，首先加载保存在 MBR区中的主引导程序。MBR 区中的主引导加载程序包括二进制代码和一个小分区。其主要任务是加载和执行次引导加载程序，通过它来查找并进行引导加载程序的第二次启动。

主引导程序完成加载后，接着进入次引导加载程序，次引导程序也称内核加载程序，其主要任务是加载Linux内核。

当次引导程序被加载到内核中后，将启动GRUB的图形引导界面（如图7-3及图7-7所示），继续系统的启动引导工作。

图7-7 具有多个启动项的GRUB

在默认情况下，GRUB引导加载程序会在 5 秒后将自动读取其配置文件/boot/grub/grub.conf文件下的配置信息，并根据配置信息来启动引导系统。

GRUB配置文件grub.conf的内容如下所示。

# 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/sda2

#　　initrd /initrd-version.img

#boot = /dev/sda

default = 0

timeout = 5

splashimage = (hd0,0)/grub/splash.xpm.gz

hiddenmenu

title Enterprise (2.6.9-42.0.0.0.1.ELhugemem)

root (hd0,0)

kernel /vmlinuz-2.6.9-42.0.0.0.1.ELhugemem ro root = LABEL = / rhgb quietinitrd /initrd-2.6.9-42.0.0.0.1.ELhugemem.img

title Enterprise-smp (2.6.9-42.0.0.0.1.ELsmp)

root (hd0,0)

kernel /vmlinuz-2.6.9-42.0.0.0.1.ELsmp ro root = LABEL = / rhgb quiet

initrd /initrd-2.6.9-42.0.0.0.1.ELsmp.img

title Enterprise-up (2.6.9-42.0.0.0.1.EL)

root (hd0,0)

kernel /vmlinuz-2.6.9-42.0.0.0.1.EL ro root = LABEL = / rhgb quiet

initrd /initrd-2.6.9-42.0.0.0.1.EL.img

系统在读取/boot/grub/grub.conf 文件的配置后，就根据配置的内容来依次引导系统启动，一下是各项的关键字的说明。

（1）default：其值指定使用哪组内核来引导系统，默认值为 0，表示使用第一组内核启动，而当其值为1时，则表示使用第二组内核启动。

（2）timeout：此关键字的值用于设置GRUB停留的时间，默认值为5，并以倒计时的方式进行计时，若在5秒内无任何操作，系统将按默认配置启动。

（3）多个启动引导选项和背景设置，其配置内容如下。

splashimage = (hd0,0)/grub/splash.xpm.gz

hiddenmenu

splashimage用于指定开机背景图案，其中hd0,0即表示/boot，其意思是说，开机背景图案存放在/boot/grub/目录下的splash.xpm.gz文件中。

hiddenmenu 设定是否要隐藏 grub 的开机菜单，在默认的配置下是以倒计时的方式并使用默认引导选项启动。当在“hiddenmenu”行前加上“#”时，将出现如图7-7所示的多个启动项。

（4）引导选单配置信息。

title Enterprise (2.6.9-42.0.0.0.1.ELhugemem)

root (hd0,0)

kernel /vmlinuz-2.6.9-42.0.0.0.1.ELhugemem ro root = LABEL = / rhgb quiet

initrd /initrd-2.6.9-42.0.0.0.1.ELhugemem.img

● title 关键字表示一个新菜单项的开始。在系统进入GRUB 引导界面时，关键字title 后面的内容将显示在GRUB菜单上（如图7-8所示）。若第一个引导菜单的关键字title被删除，那么其后的内容不再显示，而下一条title将作为第一个菜单出现，如图7-9所示。

图7-8 关键字title后的内容

图7-9 菜单移到最前面

● root 关键字用于指定引导目录所在分区位置，root 关键字后的（hd0,0）表示根分区的位置，它表示根分区位于第一个硬盘的第一个分区。其中，hd0表示第1个硬盘，而逗号后的0则表示这个硬盘上的第一个分区。

● kernel：指定用传递的选项引导内核的路径。其中，“vmlinuz-2.6.9-42.0.0.0.1.ELhugemem”是存放在（hd0,0）中的内核，也就是在/boot 目录下；“ro root = LABEL = /”中的ro 表示只读（read only），其整个含义则是以只读方式挂载根目录到“/”目录下；“rhgb quiet”表示在启动过程显示图形界面（如图7-10所示）。当将其删除时系统启动过程就以文本的方式显示出来（如图7-11所示）。

图7-10 图形界面启动过程

图7-11 文本界面启动过程

● initrd 关键字是用于建立一个内存磁盘，该磁盘存放的主要是一些启动程序。

至此，引导加载程序完成系统启动前的加载，之后它就将控制权交给内核映像，由内核映像接着完成系统的启动引导。

7.2.3 内核映像加载

GRUB完成启动加载程序的启动，并将控制权交给内核，之后，获得控制权的内核首先检查计算机的内存、风扇及硬件等设备并初始化配置。接着是对 GRUB 加载到内存下的一个小于512KB的zImage的压缩映像，或一个大于512KB的bzImage压缩映像进行自身的解压缩（就是对内核进行初始化），同时加载必要的设备驱动程序，之后才对根文件系统进行挂载，如图7-12所示。

图7-12 内核初始化流程

内核映像引导加载的时间虽然短，但其所完成的工作非常重要（由于内核的部分初始化特征由交叉运行的子系统组成，因此由始至终跟踪子系统的初始化而不被打断）。在显示“Welcome to Enterprise Linux”的提示信息时（如图7-13所示），此时系统已经完成内核映像的加载。

图7-13 内核加载完成后启动系统进程

7.2.4 init进程初始化

在完成内核镜像的引导后，系统首先执行/sbin/init 文件来启动其第一个系统级的进程——init进程，同时内核将控制权移交给init进程，由其完成系统的最终启动引导，并启动登录Linux系统的窗口。

Linux系统的init进程是系统中所有进程的发起者和控制者（其进程ID为1），在系统启动后它不会终止，除非受到外界的干扰（如断电、硬件故障等），而且在必要时，系统将调用fork()函数并复制其相关参数来创建新的子进程。

从内核获得控制权的init进程，其将控制整个系统并根据需要开始创建新的子进程。init进程首先读取/etc/inittab文件中的配置参数，并根据/etc/inittab文本中设定的参数来逐步完成系统的初始化工作。

以下是/etc/inittab文件的配置内容。

# inittab　　This file describes how the INIT process should set up

#　　　the system in a certain run-level.

# Author:　　Miquel van Smoorenburg, <miquels@drinkel.nl.mugnet.org>

#　　　Modified for RHS Linux by Marc Ewing and Donnie Barnes

# Default runlevel. The runlevels used by RHS are:

#　0- halt (Do NOT set initdefault to this)

#　1- Single user mode

#　2- Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not have networking)

# 3- Full multiuser mode

# 4- unused

# 5- X11

# 6- reboot (Do NOT set initdefault to this)

id:5:initdefault:

# System initialization.

si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0

l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1

l2:2:wait:/etc/rc.d/rc 2

l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3

l4:4:wait:/etc/rc.d/rc 4

l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5

l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6

# Trap CTRL-ALT-DELETE

ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown-t3-r now

# When our UPS tells us power has failed, assume we have a few minutes

# of power left. Schedule a shutdown for 2 minutes from now.

# This does, of course, assume you have powerd installed and your

# UPS connected and working correctly.

pf::powerfail:/sbin/shutdown-f-h+2 "Power Failure; System Shutting Down"

# If power was restored before the shutdown kicked in, cancel it.

pr:12345:powerokwait:/sbin/shutdown-c "Power Restored; Shutdown Cancelled"

# Run gettys in standard runlevels

1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty1

2:2345:respawn:/sbin/mingetty tty2

3:2345:respawn:/sbin/mingetty tty3

4:2345:respawn:/sbin/mingetty tty4

5:2345:respawn:/sbin/mingetty tty5

6:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6

# Run xdm in runlevel 5

x:5:respawn:/etc/X11/prefdm-nodaemon

在/etc/inittab 文件的定义中，系统共定义了0～6这7 个运行级别（run level）并给出了相关说明。表7-1是这7个运行级别功能的描述。

表7-1 系统的7个运行级别及说明

init 进程的初始化分为以下几个步骤。

（1）init进程获取控制权后，首先读取/etc/inittab文件，并根据文件中“id:5:initdefault:”这行设置信息参数，从而启动系统运行级别，默认情况下启动X11进程。

Linux系统使用哪个运行级别由init进程来定义，该进程可以通过3种方式来选择使用哪个运行级别：

● 通过读取在/etc/inittab 文件中预设的“id:5:initdefault:”；

● 从引导加载程序传递参数到内核后获取，即在GRUB引导界面中修改内核参数后，并传递到内核被init进程捕获；

● 在开机并登录系统后，通过传递到内核中执行的init c 命令获取；

（2）接着init进程就执行/etc/rc.d目录下rc.sysinit的shell脚本程序来对系统进一步初始化，该文件的内容如下：

[root@cat ～]# cat /etc/rc.d/rc.sysinit

#!/bin/bash

# /etc/rc.d/rc.sysinit- run once at boot time

# Taken in part from Miquel van Smoorenburg's bcheckrc.

HOSTNAME=`/bin/hostname`

HOSTTYPE=`uname-m`

unamer=`uname-r`

set-m

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

. /etc/sysconfig/network

if [-z "$HOSTNAME"-o "$HOSTNAME" = "(none)" ]; then

HOSTNAME=localhost

if [ !-e /proc/mounts ]; then

mount-n-t proc /proc /proc

mount-n-t sysfs /sys /sys >/dev/null 2>&1

if [ !-d /proc/bus/usb ]; then

modprobe usbcore >/dev/null 2>&1 && mount-n-t usbfs /proc/bus/usb /proc/bus/usb

else

mount-n-t usbfs /proc/bus/usb /proc/bus/usb

. /etc/init.d/functions

# Check SELinux status

selinuxfs="$(fstab_decode_str `LC_ALL=C awk '/ selinuxfs / { print $2 }' /proc/mounts`)"

SELINUX_STATE=

if [-n "$selinuxfs" ] && [ "`cat /proc/self/attr/current`" != "kernel" ]; then

if [-r "$selinuxfs/enforce" ] ; then

SELINUX_STATE=`cat "$selinuxfs/enforce"`

else

#assume enforcing if you can't read it

SELINUX_STATE=1

if [-n "$SELINUX_STATE"-a-x /sbin/restorecon ] && LC_ALL=C fgrep-q " /dev " /proc/mounts ; then

/sbin/restorecon-R /dev 2>/dev/null

disable_selinux() {

echo $"*** Warning-- SELinux is active"

echo $"*** Disabling security enforcement for system recovery."

echo $"*** Run 'setenforce 1' to reenable."

echo "0" > "$selinuxfs/enforce"

}

…‥

/etc/rc.d/rc.sysinit文件的主要工作流程如下所示。

① 启动热插拨设备（如USB 等设备）和SELinux（Security Enhanced Linux）。

② 把在初始化内核时得到的相关参数写入保存系统相关设置的/etc/sysctl.conf 文件中（当使用sysctl命令来变更系统的参数时，这些变更的参数将永久性保存到/etc/sysctl.conf文件中）；

③ 设定并初始化系统的时钟。

④ 初始化键盘参数（在系统启动后键盘就可以使用，而且所对应的键位上的相关符号没有出现错误的现象，这是由于计算机预先载入键盘的设置信息）。

⑤ 启动系统虚拟内存分区，即交换分区（Swap 分区）；

⑥ 从/etc/sysconfig/network 文件中读取参数来设置计算机主机名，该文件是一个正文文件，其设置内容如下。

[root@cat ～]# cat /etc/sysconfig/network

NETWORKING=yes

HOSTNAME=cat.super.com

GATEWAY=192.168.217.1

如果要更改计算机的主机名，需要同时更改/etc/hosts和/etc/sysconfig/network文件的参数，或在图形系统下依次选择Applications→System→Network打开Network Configuration图形窗口来设置（或在图形系统的终端界面下执行neat命令）。/etc/hosts文件的配置信息如下所示。

[root@rh5 ～]# cat /etc/hosts

# Do not remove the following line, or various programs

# that require network functionality will fail.

127.0.0.1　　　cat.super.com cat localhost.localdomain localhost

⑦ 在开机前root文件系统（即根目录）是以只读的方式挂载的，在init 进程获取控制权后它会对root文件系统进行检查，并在无误的情况下将其以可读、可写的状态重新挂载。可执行mount命令查看系统挂载了哪些文件系统。

[root@rh5 ～]# mount

/dev/sda3 on / type ext3 (rw)

none on /proc type proc (rw)

none on /sys type sysfs (rw)

none on /dev/pts type devpts (rw,gid=5,mode=620)

usbfs on /proc/bus/usb type usbfs (rw)

/dev/sda1 on /boot type ext3 (rw)

none on /dev/shm type tmpfs (rw)

none on /proc/sys/fs/binfmt_misc type binfmt_misc (rw)

none on /proc/fs/vmblock/mountPoint type vmblock (rw)

sunrpc on /var/lib/nfs/rpc_pipefs type rpc_pipefs (rw)

⑧ 启动RAID和LVM设备，并把相关参数读入磁盘进行相关限制设定，以避免某个用户对磁盘空间的过度使用。

⑨ 检查/etc/fstab 文件的设置参数，并根据设置的参数挂载其他文件系统。/etc/fstab 文件的内容如下：

[root@rh5 ～]# cat /etc/fstab

# This file is edited by fstab-sync- see 'man fstab-sync' for details

LABEL=/　　　/　　　　　ext3　defaults　　1 1

LABEL=/boot　　/boot　　　　ext3　defaults　　1 2

none　　　　/dev/pts　　　devpts　gid=5,mode=620　0 0

none　　　　/dev/shm　　　tmpfs　defaults　　0 0

none　　　　/proc　　　　proc　defaults　　0 0

none　　　　/sys　　　　　sysfs　defaults　　0 0

LABEL=SWAP-sda2　swap　　　　　swap　defaults　　0 0

/dev/hdc　　　/media/cdrecorder　auto　pamconsole,exec,noauto,managed 0 0

/dev/fd0　　　/media/floppy　　auto　pamconsole,exec,noauto,managed 0 0

⑩ 清除开机时所使用的临时文件并对一些无用的文件和目录进行删除。

（3）由于系统在默认模式下使用运行级别 5 来启动，因此接着 init进程将读取“5”这个参数，并将此参数传到/etc/rc.d/rc5（如图7-14所示）以便决定在该模式下需要启动哪些服务，实际上，就是执行/etc/rc.d/rc 5.d目录下的所有程序，如下是/etc/rc.d/rc 5.d 目录的内容。

图7-14 系统级别的定义

[root@cat ～]# ls-l /etc/rc.d/rc5.d/

total 412

lrwxrwxrwx 1 root root 24 Jul 6 23:02 K02NetworkManager-> ../init.d/NetworkManager

lrwxrwxrwx 1 root root 14 Jul 6 23:35 K05innd-> ../init.d/innd

lrwxrwxrwx 1 root root 19 Jul 6 23:01 K05saslauthd-> ../init.d/saslauthd

lrwxrwxrwx 1 root root 19 Jul 6 23:03 K10dc_server-> ../init.d/dc_server

lrwxrwxrwx 1 root root 16 Jul 6 23:02 K10psacct-> ../init.d/psacct

lrwxrwxrwx 1 root root 17 Jul 6 23:34 K10radiusd-> ../init.d/radiusd

lrwxrwxrwx 1 root root 19 Jul 6 23:03 K12dc_client-> ../init.d/dc_client

lrwxrwxrwx 1 root root 17 Jul 6 23:22 K12FreeWnn-> ../init.d/FreeWnn

lrwxrwxrwx 1 root root 17 Jul 6 23:23 K12mailman-> ../init.d/mailman

lrwxrwxrwx 1 root root 15 Jul 6 23:03 K15httpd-> ../init.d/httpd

lrwxrwxrwx 1 root root 20 Jul 6 23:23 K20bootparamd-> ../init.d/bootparamd

lrwxrwxrwx 1 root root 24 Jul 6 23:33 K20netdump-server-> ../init.d/netdump-server

lrwxrwxrwx 1 root root 13 Jul 6 23:02 K20nfs-> ../init.d/nfs

lrwxrwxrwx 1 root root 16 Jul 6 23:23 K20rstatd-> ../init.d/rstatd

lrwxrwxrwx 1 root root 17 Jul 6 23:23 K20rusersd-> ../init.d/rusersd

lrwxrwxrwx 1 root root 15 Jul 6 23:23 K20rwhod-> ../init.d/rwhod

lrwxrwxrwx 1 root root 14 Jul 6 23:02 K24irda-> ../init.d/irda

lrwxrwxrwx 1 root root 15 Jul 6 23:03 K25squid-> ../init.d/squid

lrwxrwxrwx 1 root root 13 Jul 6 23:25 K28amd-> ../init.d/amd

lrwxrwxrwx 1 root root 22 Jul 6 23:07 K30spamassassin-> ../init.d/spamassassin

lrwxrwxrwx 1 root root 18 Jul 6 23:32 K34dhcrelay-> ../init.d/dhcrelay

lrwxrwxrwx 1 root root 19 Jul 6 23:35 K34yppasswdd-> ../init.d/yppasswdd

lrwxrwxrwx 1 root root 21 Jul 6 23:23 K35cyrus-imapd-> ../init.d/cyrus-imapd

lrwxrwxrwx 1 root root 15 Jul 6 23:32 K35dhcpd-> ../init.d/dhcpd

lrwxrwxrwx 1 root root 13 Jul 6 23:03 K35smb-> ../init.d/smb

lrwxrwxrwx 1 root root 19 Jul 6 23:04 K35vncserver-> ../init.d/vncserver

lrwxrwxrwx 1 root root 17 Jul 6 23:35 K35winbind-> ../init.d/winbind

lrwxrwxrwx 1 root root 16 Jul 6 23:32 K36dhcp6s-> ../init.d/dhcp6s

lrwxrwxrwx 1 root root 14 Jul 6 23:18 K36lisa-> ../init.d/lisa

lrwxrwxrwx 1 root root 16 Jul 6 23:24 K36mysqld-> ../init.d/mysqld

lrwxrwxrwx 1 root root 20 Jul 6 23:24 K36postgresql-> ../init.d/postgresql

…‥

（4）在init进程完成定义系统运行级别、挂载其他文件系统和执行运行级别进程后，接下来它继续读取/etc/inittab 文件中的“ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown–t3–r now”这行参数来设置系统关机的组合键 ctrlaltdel（即 Ctrl+Alt+Delete），在使用这个组合键时，系统就执行/sbin 目录下的shutdown命令进行关机。

（5）接下来init 进程的工作是为系统定义UPS（Uninterrupted Power Supply，不间断电源）的功能，UPS负责在外部电源停止供电后为Linux 系统在短期内提供有限的电量，使得系统可将必要的数据写到磁盘中，以避免数据的丢失，之后调用 shutdown 来关机，如图7-15中第一行所示。