系统启动流程

概述

参考：
公众号 - 马哥 Linux 运维，Linux 系统开机加电后发生了什么？
公众号 - 码农的荒岛求生，操作系统是如何启动起来的？
公众号 - 码农的荒岛求生，操作系统是怎么一步步启动起来的？

操作系统被称为 The first programme(第一个程序)，原因很简单，只有当操作系统启动起来后才能运行我们编写的程序，那么操作系统是怎样启动起来的呢？实际上这个过程就像发射火箭一样有趣

操作系统也是普通程序

首先我们必须意识到这样两点：

CPU 执行的是机器指令，编译器将程序翻译后成了机器指令
操作系统本身也是一个程序，这个程序被编译后也会生成一大堆机器指令

现在我们知道了，操作系统本身其实也是一大堆机器指令，既然是机器指令那么它必须得存放在什么地方。

存放在哪里呢？

想想我们编写的程序，编译后生成的是可执行文件，也就是说是以“文件”的形式存放的，并且存放在硬盘上，而操作系统也没什么不同，编译后生成的机器指令同样是以文件的形式存放的，存放在哪里呢？可以存放在任何能存储数据的介质，像 CD、磁盘之类都可以。

我们编写的程序在启动时被加载器——也就是 loader，加载到内存，加载器也是一个程序，这是一个加载其它程序的程序；这么说可能有点拗口，但计算机系统中有大量类似的程序，编译器是一个翻译程序的程序、操作系统是一个运行其它程序的程序、链接器是一个链接程序的程序、解释器是一个执行脚本程序的程序等等。

鸡生蛋蛋生鸡的问题

回到我们的主题，我们写的代码是 loader 加载到内存后运行的，那么操作系统这个程序是也同样的道理，必须得有个什么东西也要把操作系统加载到内存中运行才可以，这个东西不叫 loader，而是叫 boot loader，其本身也是一个程序，它的任务就是加载一个更大的程序，就像这里的操作系统。

此时这里会出现一个鸡生蛋蛋生鸡的，既然我们的程序是被加载器 loader(操作系统的一部分)加载到内存中，而操作系统又是被 boot loader 这个加载程序加载到内存中的，那么又是什么加载器把 boot loader 这个加载程序加载到内存中呢？而又又是什么加载器把上一句中的什么加载器加载内存中呢？而又又又是什么。。？

你会发现这个一个没有出口的无穷递归啊有没有，总得有个什么把前一个程序加载到内存，就好比今天的前一天是昨天、昨天的前一天是前天、前天的前一天是大前天，如果一直这样思考下去那么时间到底在哪里开始的呢？时间到底有没有开始(参考时间简史或相对论)？

时间有没有开始这个问题我不清楚，但操作系统启动的这个问题我知道。

上述关于加载器以及加载加载器等问题全部指向了内存，让我们好好想一想内存有什么特殊性？

内存断电后是无法保存数据

程序员都知道内存只有在加电的情况下才可以保存数据(关于内存的实现原理你可以参考这篇《你管这破玩意叫 CPU？》)，那么很显然，当断电后内存中的内容就丢失了，那么又很显然的，当你在按下计算机开关通电时，内存中的内容是未被初始化的，也就是说内存中的内容是无效的，此时的内存里还是一片荒芜，这里没有任何东西可供 CPU 来执行，这就好比大爆炸之前的宇宙。

但我们的计算机总是能启动起来，CPU 必须得执行“一段什么程序”把第一个 boot loader 加载到内存中，由于此时内存中还什么都没有，那么这段程序一定被保存在了其它地方。

保存在了哪里呢？

没错，这段程序就被保存在了 BIOS 的非易失性存储 ROM 或者 flash 存储中了，这里的代码在即使断电后也会保存下来，加电后 CPU 开始执行这里代码，把 boot loader 加载到内存中，现在你应该明白第一个 boot loader 是怎样被加载到内存的了吧。

在早期的计算机上甚至专门有一个按钮，让用户自己选择该从哪里，比如打孔纸带、打孔卡片或者硬盘，加载一个更复杂的程序来运行，操作面板上的旋钮可以控制把这些程序加载到内存的什么位置上去：

火箭与操作系统启动

然而现实情况比较复杂，我们刚才提到的 boot loader 这段小程序功能实在是太弱了，此时其能访问的磁盘地址空间有限，不能把完整的内核全部加载到操作系统中，该怎么办呢？

既然 boot loader 比较弱那么就换一个比较牛的 loader 程序来，就这样出现了二阶 boot loader，second stage loader：

二阶 boot loader 功能更为丰富，比如对硬件进行检查、给用户提供选项加载哪个操作系统等等，安装多系统的同学应该知道，启动时会给你一个选项到底是启动 windows 还是 linux，这就是二阶 boot loader 的作用。

最终，操作系统被二阶 boot loader 加载到内存中开始运行。

你会发现这个过程就和发射三级火箭一样，最初一级火箭启动，燃料用尽后二级火箭启动，二级火箭完成使命后三级火箭启动，最终把卫星送到太空，而计算机的启动过程也类似。

最初是 CPU 运行 BIOS 中的一段代码把一级 boot loader 加载到内存中运行，该程序又会把二级 boot loader 加载到内存运行，而二级 boot loader 又会把操作系统加载到内存中，此后控制权被转移到操作系统，(所谓控制权是指 CPU 跳转到操作系统的代码)，操作系统开始运行，经过一系列的初始化，比如硬件检测、开启必要的后台进程等等，最终图形界面或者命令行界面呈现出来。

接下来我们把这个过程细化一下。

更详细的启动过程

你在按下电源的瞬间相当于火箭点火，此时一级发动机开始工作。

加电 CPU 重置后开始在地址 0xffff0 处开始执行指令，这个地址其实是 BIOS ROM 的末尾处，该位置其实是一个跳转指令，跳转到 ROM 的一段启动代码上，该代码会进行必要的自检，Power-on self-test (POST)，展示 BIOS 启动界面等等，最重要的一步是找到启动设备，所谓启动设备就是指从哪里加载操作系统，比如 CD-ROM、或者磁盘、甚至 U 盘等都可以作为启动设备，早些年流行用 U 盘重新安装系统，其实就是告诉 BIOS 的这段代码从 U 盘中加载操作系统。

通常 BIOS 会把磁盘当做启动设备(大部分情况下)，此时 BIOS 中的这段代码开始将磁盘的第 0 号块加载到内存中，那么这第 0 号块中有什么呢？没错，就是第一阶段 boot loader 程序，这第 0 号块也被称之为 Master Boot Record，MBR，肯定有不少同学听说过。

到这里，火箭的一级发动机燃料用尽，二级发动机开始点火，BIOS 中的这段代码把控制权交给加载到内存 boot loader，所谓控制权就是跳转到 boot loader 程序，这样 CPU 终于开始直接与内存交互了，CPU 开始从内存中取出指令然后执行。

MBR 中除了包含一段可执行代码之外还有一个分区表，partition table，这个表的中的每一个条目本质上在说：“操作系统是否在我这个分区，我这个分区有多大”，CPU 在执行 MBR 中的代码时会去检查操作系统存在哪个分区中，定位后开始从相应分区的起始位置读取磁盘数据到内存中，这时的磁盘数据中保存的就是二阶 boot loader，second-stage boot loader，此时一阶 boot loader 把控制权转交给二阶 boot loader，火箭三级发动机开始工作。

2_boot loader 的主要工作将操作系统加载到内存中，此后控制权转交给操作系统，火箭的三级发动机完成使命，到这一时刻，操作系统开始接管计算机，操作系统经过一系列自身的初始化后创建出若干必要进程，至此计算机启动完毕，卫星被成功送到了外太空中。

然而限于篇幅这里依然没有过多涉及细节，操作系统本身的初始化也是一个比较复杂的过程，感兴趣的同学可以去翻阅相关操作系统的资料。

系统启动流程

Power-on self-test(POST) # 加电自检通过 ROM 芯片来检测
ROM 芯片 # CMOS 然后启动 BIOS 程序
Basic Input and Output System(BIOS) # 基本输出输出系统
Boot Sequence # 按次序查找各引导设备，第一个有引导程序的设备准备本次启动用到的设备，不管该引导程序是否执行成功，只要有引导程序，就不再找下一个设备了。
- 读取硬盘的第一个扇区，这个扇区被称为 MBR．这个扇区中存储了一个小程序，叫做 boot loader．MBR 很小，只有 446B. 最常见的一种 boot loader 叫 grub.
- MBR，前 446 字节为 bootloader，后面 64 字节为 fat(磁盘分区表)，后面 2 字节为 55AA 标记
Bootloader # 引导加载器，这是一个程序。功能：提供一个菜单，供用户选择要启动的系统或不同的内核版本，把用户选定的内核装载到内存中的特定空间中，解压，展开，并把系统控制权移交给内核
- boot loader 程序主要做两件事，一个是将内核加载到内存中，另一个是启动一个虚拟文件系统．内核文件是 /boot/vmlinuz*,虚拟文件系统文件是 /boot/initrd*．
- GRUB(GRand Uniform BootLoader)用来找到操作系统所在的磁盘分区，把内核加载至内存中，还能把控制权正常转交给内核的程序
  - GRUB 0.x 版：GRUB Legacy
  - GRUB 1.X 版：GRUB2
Kernel
- 初始化：
  - 探测硬件
  - 装载硬件的驱动程序(有可能会借助于 ramdisk 加载驱动程序)
  - 挂载根文件系统到 / 目录下
运行用户空间的第一个应用程序
- init(初始化)程序的类型
  - SysV：第一个进程名 init 早期的系统用的这个程序，通过脚本启动程序，一个启动完了才能启动下一个
  - 配置文件/etc/inittab
- Upstart：第一个进程名 init
  - 配置文件/etc/inittab、/etc/init/*.conf
- Systemd：第一个进程名 systemd 所有程序可以并行同时启动
  - 配置文件：/lib/systemd/system，/etc/systemd/system
- ramdisk

POST –> BootSequence(BIOS) –> Bootloader(MBR) –> kernel(ramdisk) –> rootfs –> init(systemd)

上电、引导

按下开关键，触发主板引脚，开启电源，为主板通电

装载内核

vmlinuz 分析

a. mkdir /tmp/vmlinuz&&cp /boot/vmlinuz-4.4.0-21-generic /tmp/vmlinuz/

b. cd /tmp/vmlinuz/

c. od -t x1 -A d vmlinuz-4.4.0-21-generic | grep “1f 8b 08”

本质上，vmlinuz-4.4.0-21-generic 是一个 gzip 压缩文件，但是不能直接用 gzip 指令解压，因为在这个文件的开头嵌入了 gzip 的代码．

所以首先用指令 c 找到真正的压缩文件的头部．这个指令的输出形如:

0018864 ac fe ff ff 1f 8b 08 00 00 00 00 00 02 03 ec fd

然后执行下面的指令，其中的 18868 就是 18864+4，这里 4 是指 1f 8b 08 前面有 4 个字节．

dd if=vmlinuz-4.4.0-21-generic bs=1 skip=18868 | zcat > vmlinuz-gakki

objdump -D vmlinuz-gakki » result

我们可以看到，最终得到的 result 就是一个汇编文件．而 vmlinuz-gakki 文件本质上是一个可执行程序．可以尝试

执行他，chmod +x vmlinuz-gakki &&./vmlinuz-gakki ．

显示 Segmentation fault

intrid 分析

首先将/boot/intird.img 文件复制到/tmp 文件夹下

执行 file /tmp/initrd.img-4.4.0-21-generic，得到的结果如下：

/tmp/initrd.img-4.4.0-21-generic: gzip compressed data, last modified: Fri Jun 15 13:57:43 2018, from Unix

可以看到本质上这是一个 gzip 格式的压缩文件

cd /tmp

mv initrd.img-4.4.0-21-generic initrd.img-4.4.0-21-generic.gz

gzip -d initrd.img-4.4.0-21-generic.gz

file initrd.img-4.4.0-21-generic

得到的结果为：

initrd.img-4.4.0-21-generic: ASCII cpio archive (SVR4 with no CRC)

这是一个 cpio 文件

执行 cpio -idmv < initrd.img-4.4.0-21-generic

这样，我们可以看到它最终生成了一个小型的文件系统．

Systemd 运行

详见 Systemd 运行流程章节

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最后修改 October 12, 2024: devops change dir, QUIC (5119fbe6)