Linux 启动过程详解

本文取自 Linux 中国本人仅是对文章做一个防丢备份。理解操作系统开机引导和启动过程对于配置操作系统和解决相关启动问题是至关重要的。该文章陈述了 GRUB2 引导装载程序开机引导装载内核的过程和 systemd 初始化系统执行开机启动操作系统的过程。事实上操作系统的启动分为两个阶段引导boot和启动startup。引导阶段开始于打开电源开关结束于内核初始化完成和 systemd 进程成功运行。启动阶段接管了剩余工作直到操作系统进入可操作状态。总体来说Linux 的开机引导和启动过程是相当容易理解下文将分节对于不同步骤进行详细说明。BIOS 上电自检POST引导装载程序 (GRUB2)内核初始化启动 systemd其是所有进程之父。注意本文以 GRUB2 和 systemd 为载体讲述操作系统的开机引导和启动过程是因为这二者是目前主流的 linux 发行版本所使用的引导装载程序和初始化软件。当然另外一些过去使用的相关软件仍然在一些 Linux 发行版本中使用。1、引导过程引导过程能以两种方式之一初始化。其一如果系统处于关机状态那么打开电源按钮将开启系统引导过程。其二如果操作系统已经运行在一个本地用户该用户可以是 root 或其他非特权用户那么用户可以借助图形界面或命令行界面通过编程方式发起一个重启操作从而触发系统引导过程。重启包括了一个关机和重新开始的操作。1.1、BIOS 上电自检POST上电自检过程中其实 Linux 没有什么也没做上电自检主要由硬件的部分来完成这对于所有操作系统都一样。当电脑接通电源电脑开始执行 BIOS基本输入输出系统Basic I/O System的 POST上电自检Power On Self Test过程。在 1981 年IBM 设计的第一台个人电脑中BIOS 被设计为用来初始化硬件组件。POST 作为 BIOS 的组成部分用于检验电脑硬件基本功能是否正常。如果 POST 失败那么这个电脑就不能使用引导过程也将就此中断。BIOS 上电自检确认硬件的基本功能正常然后产生一个 BIOS 中断 INT 13H该中断指向某个接入的可引导设备的引导扇区。它所找到的包含有效的引导记录的第一个引导扇区将被装载到内存中并且控制权也将从引导扇区转移到此段代码。引导扇区是引导加载器真正的第一阶段。大多数 Linux 发行版本使用的引导加载器有三种GRUB、GRUB2 和 LILO。GRUB2 是最新的也是相对于其他老的同类程序使用最广泛的。1.2、GRUB2GRUB2 全称是 GRand Unified BootLoaderVersion 2第二版大一统引导装载程序。它是目前流行的大部分 Linux 发行版本的主要引导加载程序。GRUB2 是一个用于计算机寻找操作系统内核并加载其到内存的智能程序。由于 GRUB 这个单词比 GRUB2 更易于书写和阅读在下文中除特殊指明以外GRUB 将代指 GRUB2。GRUB 被设计为兼容操作系统多重引导规范它能够用来引导不同版本的 Linux 和其他的开源操作系统它还能链式加载专有操作系统的引导记录。GRUB 允许用户从任何给定的 Linux 发行版本的几个不同内核中选择一个进行引导。这个特性使得操作系统在因为关键软件不兼容或其它某些原因升级失败时具备引导到先前版本的内核的能力。GRUB 能够通过文件/boot/grub/grub.conf进行配置。LCTT 译注此处指 GRUB1GRUB1 现在已经逐步被弃用在大多数现代发行版上它已经被 GRUB2 所替换GRUB2 是在 GRUB1 的基础上重写完成。基于 Red Hat 的发行版大约是在 Fedora 15 和 CentOS/RHEL 7 时升级到 GRUB2 的。GRUB2 提供了与 GRUB1 同样的引导功能但是 GRUB2 也是一个类似主框架mainframe系统上的基于命令行的前置操作系统Pre-OS环境使得在预引导阶段配置更为方便和易操作。GRUB2 通过/boot/grub2/grub.cfg进行配置。两个 GRUB 的最主要作用都是将内核加载到内存并运行。两个版本的 GRUB 的基本工作方式一致其主要阶段也保持相同都可分为 3 个阶段。在本文将以 GRUB2 为例进行讨论其工作过程。GRUB 或 GRUB2 的配置以及 GRUB2 的命令使用均超过本文范围不会在文中进行介绍。虽然 GRUB2 并未在其三个引导阶段中正式使用这些阶段stage名词但是为了讨论方便我们在本文中使用它们。1.2.1、阶段 1如上文 POST上电自检阶段提到的在 POST 阶段结束时BIOS 将查找在接入的磁盘中查找引导记录其通常位于 MBR主引导记录Master Boot Record它加载它找到的第一个引导记录中到内存中并开始执行此代码。引导代码及阶段 1 代码必须非常小因为它必须连同分区表放到硬盘的第一个 512 字节的扇区中。 在传统的常规 MBR 中引导代码实际所占用的空间大小为 446 字节。这个阶段 1 的 446 字节的文件通常被叫做引导镜像boot.img其中不包含设备的分区信息分区是一般单独添加到引导记录中。由于引导记录必须非常的小它不可能非常智能且不能理解文件系统结构。因此阶段 1 的唯一功能就是定位并加载阶段 1.5 的代码。为了完成此任务阶段 1.5 的代码必须位于引导记录与设备第一个分区之间的位置。在加载阶段 1.5 代码进入内存后控制权将由阶段 1 转移到阶段 1.5。1.2.2、阶段 1.5如上所述阶段 1.5 的代码必须位于引导记录与设备第一个分区之间的位置。该空间由于历史上的技术原因而空闲。第一个分区的开始位置在扇区 63 和 MBR扇区 0之间遗留下 62 个 512 字节的扇区共 31744 字节该区域用于存储阶段 1.5 的代码镜像 core.img 文件。该文件大小为 25389 字节故此区域有足够大小的空间用来存储 core.img。因为有更大的存储空间用于阶段 1.5且该空间足够容纳一些通用的文件系统驱动程序如标准的 EXT 和其它的 Linux 文件系统如 FAT 和 NTFS 等。GRUB2 的 core.img 远比更老的 GRUB1 阶段 1.5 更复杂且更强大。这意味着 GRUB2 的阶段 2 能够放在标准的 EXT 文件系统内但是不能放在逻辑卷内。故阶段 2 的文件可以存放于/boot文件系统中一般在/boot/grub2目录下。注意/boot目录必须放在一个 GRUB 所支持的文件系统并不是所有的文件系统均可。阶段 1.5 的功能是开始执行存放阶段 2 文件的/boot文件系统的驱动程序并加载相关的驱动程序。1.2.3、阶段 2GRUB 阶段 2 所有的文件都已存放于/boot/grub2目录及其几个子目录之下。该阶段没有一个类似于阶段 1 与阶段 1.5 的镜像文件。相应地该阶段主要需要从/boot/grub2/i386-pc目录下加载一些内核运行时模块。GRUB 阶段 2 的主要功能是定位和加载 Linux 内核到内存中并转移控制权到内核。内核的相关文件位于/boot目录下这些内核文件可以通过其文件名进行识别其文件名均带有前缀 vmlinuz。你可以列出/boot目录中的内容来查看操作系统中当前已经安装的内核。GRUB2 跟 GRUB1 类似支持从 Linux 内核选择之一引导启动。Red Hat 包管理器DNF支持保留多个内核版本以防最新版本内核发生问题而无法启动时可以恢复老版本的内核。默认情况下GRUB 提供了一个已安装内核的预引导菜单其中包括问题诊断菜单recuse以及恢复菜单如果配置已经设置恢复镜像。阶段 2 加载选定的内核到内存中并转移控制权到内核代码。1.3、内核内核文件都是以一种自解压的压缩格式存储以节省空间它与一个初始化的内存映像和存储设备映射表都存储于/boot目录之下。在选定的内核加载到内存中并开始执行后在其进行任何工作之前内核文件首先必须从压缩格式解压自身。一旦内核自解压完成则加载 systemd 进程其是老式 System V 系统的 init 程序的替代品)并转移控制权到 systemd。这就是引导过程的结束。此刻Linux 内核和 systemd 处于运行状态但是由于没有其他任何程序在执行故其不能执行任何有关用户的功能性任务。2、启动过程启动过程紧随引导过程之后启动过程使 Linux 系统进入可操作状态并能够执行用户功能性任务。2.1、systemdsystemd 是所有进程的父进程。它负责将 Linux 主机带到一个用户可操作状态可以执行功能任务。systemd 的一些功能远较旧式 init 程序更丰富可以管理运行中的 Linux 主机的许多方面包括挂载文件系统以及开启和管理 Linux 主机的系统服务等。但是 systemd 的任何与系统启动过程无关的功能均不在此文的讨论范围。首先systemd 挂载在/etc/fstab中配置的文件系统包括内存交换文件或分区。据此systemd 必须能够访问位于/etc目录下的配置文件包括它自己的。systemd 借助其配置文件/etc/systemd/system/default.target决定 Linux 系统应该启动达到哪个状态或目标态target。default.target是一个真实的 target 文件的符号链接。对于桌面系统其链接到graphical.target该文件相当于旧式 systemV init 方式的runlevel 5。对于一个服务器操作系统来说default.target更多是默认链接到multi-user.target 相当于 systemV 系统的runlevel 3。emergency.target相当于单用户模式。LCTT 译注“target” 是 systemd 新引入的概念目前尚未发现有官方的准确译名考虑到其作用和使用的上下文环境我们认为翻译为“目标态”比较贴切。以及“unit” 是指 systemd 中服务和目标态等各个对象/文件在此依照语境译作“单元”。注意所有的目标态target和服务service均是 systemd 的单元unit。如下表 1 是 systemd 启动的目标态target和老版 systemV init 启动运行级别runlevel的对比。这个systemd 目标态别名是为了 systemd 向前兼容 systemV 而提供。这个目标态别名允许系统管理员包括我自己用 systemV 命令例如init 3改变运行级别。当然该 systemV 命令是被转发到 systemd 进行解释和执行的。SystemV 运行级别systemd 目标态systemd 目标态别名描述halt.target停止系统运行但不切断电源。0poweroff.targetrunlevel0.target停止系统运行并切断电源.Semergency.target单用户模式没有服务进程运行文件系统也没挂载。这是一个最基本的运行级别仅在主控制台上提供一个 shell 用于用户与系统进行交互。1rescue.targetrunlevel1.target挂载了文件系统仅运行了最基本的服务进程的基本系统并在主控制台启动了一个 shell 访问入口用于诊断。2runlevel2.target多用户没有挂载 NFS 文件系统但是所有的非图形界面的服务进程已经运行。3multi-user.targetrunlevel3.target所有服务都已运行但只支持命令行接口访问。4runlevel4.target未使用。5graphical.targetrunlevel5.target多用户且支持图形界面接口。6reboot.targetrunlevel6.target重启。default.target这个目标态target是总是multi-user.target或graphical.target的一个符号链接的别名。systemd 总是通过default.target启动系统。default.target绝不应该指向halt.target、poweroff.target或reboot.target。表 1 老版本 systemV 的 运行级别与 systemd 与目标态target或目标态别名的比较每个目标态target有一个在其配置文件中描述的依赖集systemd 需要首先启动其所需依赖这些依赖服务是 Linux 主机运行在特定的功能级别所要求的服务。当配置文件中所有的依赖服务都加载并运行后即说明系统运行于该目标级别。systemd 也会查看老式的 systemV init 目录中是否存在相关启动文件若存在则 systemd 根据这些配置文件的内容启动对应的服务。在 Fedora 系统中过时的网络服务就是通过该方式启动的一个实例。如下图 1 是直接从 bootup 的 man 页面拷贝而来。它展示了在 systemd 启动过程中一般的事件序列和确保成功的启动的基本的顺序要求。sysinit.target和basic.target目标态可以被视作启动过程中的状态检查点。尽管 systemd 的设计初衷是并行启动系统服务但是部分服务或功能目标态是其它服务或目标态的启动的前提。系统将暂停于检查点直到其所要求的服务和目标态都满足为止。sysinit.target状态的到达是以其所依赖的所有资源模块都正常启动为前提的所有其它的单元如文件系统挂载、交换文件设置、设备管理器的启动、随机数生成器种子设置、低级别系统服务初始化、加解密服务启动如果一个或者多个文件系统加密的话等都必须完成但是在sysinit.target中这些服务与模块是可以并行启动的。sysinit.target启动所有的低级别服务和系统初具功能所需的单元这些都是进入下一阶段 basic.target 的必要前提。图 1systemd 的启动流程在sysinit.target的条件满足以后systemd 接下来启动basic.target启动其所要求的所有单元。basic.target通过启动下一目标态所需的单元而提供了更多的功能这包括各种可执行文件的目录路径、通信 sockets以及定时器等。最后用户级目标态multi-user.target或graphical.target 可以初始化了应该注意的是multi-user.target必须在满足图形化目标态graphical.target的依赖项之前先达成。图 1 中以*开头的目标态是通用的启动状态。当到达其中的某一目标态则说明系统已经启动完成了。如果multi-user.target是默认的目标态则成功启动的系统将以命令行登录界面呈现于用户。如果graphical.target是默认的目标态则成功启动的系统将以图形登录界面呈现于用户界面的具体样式将根据系统所配置的显示管理器而定。3、故障讨论最近我需要改变一台使用 GRUB2 的 Linux 电脑的默认引导内核。我发现一些 GRUB2 的命令在我的系统上不能用也可能是我使用方法不正确。至今我仍然不知道是何原因导致此问题需要进一步探究。grub2-set-default命令没能在配置文件/etc/default/grub中成功地设置默认内核索引以至于期望的替代内核并没有被引导启动。故在该配置文件中我手动更改GRUB_DEFAULTsaved为GRUB_DEFAULT22 是我需要引导的安装好的内核文件的索引。然后我执行命令grub2-mkconfig /boot/grub2/grub.cfg创建了新的 GRUB 配置文件该方法如预期的规避了问题并成功引导了替代的内核。4、结论GRUB2、systemd 初始化系统是大多数现代 Linux 发行版引导和启动的关键组件。尽管在实际中systemd 的使用还存在一些争议但是 GRUB2 与 systemd 可以密切地配合先加载内核然后启动一个业务系统所需要的系统服务。尽管 GRUB2 和 systemd 都比其前任要更加复杂但是它们更加容易学习和管理。在 man 页面有大量关于 systemd 的帮助说明freedesktop.org 也在线收录了完整的此帮助说明。下面有更多相关信息链接。5、附加资源GNU GRUB (Wikipedia)GNU GRUB Manual (GNU.org)Master Boot Record (Wikipedia)Multiboot specification (Wikipedia)systemd (Wikipedia)systemd bootup process (Freedesktop.org)systemd index of man pages (Freedesktop.org)作者简介David Both 居住在美国北卡罗纳州的首府罗利是一个 Linux 开源贡献者。他已经从事 IT 行业 40 余年在 IBM 教授 OS/2 20余年。1981 年他在 IBM 开发了第一个关于最初的 IBM 个人电脑的培训课程。他也曾在 Red Hat 教授 RHCE 课程也曾供职于 MCI worldcomCico 以及北卡罗纳州等。他已经为 Linux 开源社区工作近 20 年。via: https://opensource.com/article/17/2/linux-boot-and-startup/作者David Both 译者 penghuster 校对wxy本文由 LCTT 原创编译Linux中国 荣誉推出我的博客园