一个Linux系统的组成部分

Linux系统组成部分：内核+根文件系统；理解这个概念非常重要，简单来说，系统启动就是为了启动内核，让内核加载根文件系统，最后执行初始化程序。

Linux开机启动流程

首先简要概括下Linux系统的启动流程
从按下电源键开始，Linux的启动流程大概如下
1.POST自检
2.按顺序寻找引导程序
3.启动内核
4.内核加载根文件系统
5.启动init程序

下面来详细说明下各启动阶段都做了什么

一、POST自检

POST自检主要对硬件设备的检查设备的运行状态，POST自检也是一个程序，安装在主板的的ROM上，读取CMOS中的信息，以了解部分硬件的信息，比如硬件自检(post)、硬件上的时间、硬盘大小和型号等。包括，手动进入bios界面看到的信息，都是在这一阶段获取到的，如下图。

设置引导顺序

当硬件扫描完成后，开始读取第一个设备的MBR，如果第一个设备没有MBR，则会读取第二个。

二、寻找引导程序

硬盘的第一个扇区:MBR（Master Boot Record) 主引导记录

引导程序为了加载内核而存在，当POST自检没问题后，计算机会按照用户所给定的存储设备顺序来读取MBR，为什么读取MBR，因为MBR保存了引导程序，但引导程序不一定安装在MBR上，本文这个步骤只针对MBR，但无论哪种启动方式都好，目的都是一样的，为了加载引导程序！
MBR也称:主引导记录，位于磁盘的第一个扇区，和分区无关，和操作系统无关，注意，MBR位于磁盘的第一个扇区，因此一个硬盘只有一个MBR;
MBR由512 Byte组成
446 Byte:存放引导程序（bootloader）;
64 Byte:存放磁盘的分区表;
最后2 Byte:用于标识MBR是否有效，如果BIOS读取时，发现MBR最后2个字节的数值不是0x55AA,则认为这个MBR是没用的，会去读取下一个设备。
这里需要注意的是，不要把MBR和bootloader的概念混在一起，2个是不同的东西，一定要区分开，bootloader存放在MBR中；MBR不单单存放bootloader还有存放分区信息呢。

引导程序

引导程序是为了加载内核而存在，引导程序是有很多的，其中，就有grub一个，很多的Linux发行版使用grub这个程序作为它的引导程序，它有两个版本。
grub 0.X:Linux5、6使用
grub 1.X:Centos7使用

本文只针对grub 0.X引导程序来说明，grub 0.X也称为grub lagecy，有三部分组成，也称为三个阶段。stage1,stage1.5,stage2。分别安装在不同的位置上

stage1： 安装在MBR的前446个字节中
stage1.5: 安装在MBR后面，第一个分区前的间隙中
stage2: 放在磁盘某个分区中

为什么要划分为三个阶段？
因为引导程序grub实在太大了（相比起MBR只有446字节来说）上面三个阶段中，stage2才是gurb的核心程序，它是向我们提供菜单的提供者，它的代码量大小，远超446字节，是不能直接存放在MBR中。stage1只是为了加载stage2，但前面说了stage2是存放在磁盘分区中的，磁盘分区要想保存文件，必须拥有文件系统。而要读取这个文件系统上的文件，是需要驱动的，而现在文件系统格式这么多（如ext2,3,4、ntfs、xfs...)而stage1只有446Byte存放引导程序，明显是不够的，所以引入了stage1.5，stage1.5保存了文件系统驱动，用于提供文件系统驱动协助stage1加载stage2，当stage1有文件驱动的支持后，才能读取磁盘分区上的数据，从而能加载stage2

grub程序所提供的菜单

stage1_5的目的之一是识别文件系统，但文件系统的类型有很多，所以对应的stage1_5也有很多种，如下图：

stage1.5的文件驱动

这些文件通常存放在/boot/grub目录下，satge2程序也存放在该目录下，在安装系统的时候，通常情况下，很多人的做法是把boot分区单独分区，而且分区格式一般都是比较常见的，这是为什么呢？

原因也很简单，如上图，stage1.5所支持的文件系统不多，某些特殊或比较少见的文件系统是不支持的，而现在也有很多人喜欢把根文件系统挂载到LVM之类的逻辑文件系统，而grub没有这类文件系统的驱动。如果把boot目录挂载在grub不能识别的文件系统上，引导就没办法进行。所以一般boot单独分区就是因为这个。

顺利启动stage2之后，屏幕应当显示一个菜单，让用户选择要启动的系统或内核。这个菜单是通过配置文件定义的,配置文件在根目录下的grub目录，引导程序的根目录和内核的根目录是两回事，迄今，内核还没启动，还没去找文件系统呢，所以别混肴。

用户在菜单中选定了某一功能后，在背后就会按照配置文件的定义来启动内核，grub legacy的配置文件很有意思，我会对grub legacy的配置文件作详细说明，请查看我的其他文章。

grub会按照配置文件所给定的参数来启动内核。

三、启动内核

内核存放在哪里？grub如何启动内核？

第一个问题：内核存放在哪里？
内核文件通常存放在/boot目录下，通常该目录也是grub程序的根目录，内核是以bzimage压缩存放在该目录中，并且名称一般都是以vmlinuz-后跟版本号。这样的方式来命名

内核文件位置

第二个问题：如何启动内核
很简单，通过配置文件，该配置文件通常存放在/boot/grub目录中，名字通常为:grub.conf

grub.conf

配置文件定义了各种菜单，每个一般都对应一个内核，以及传递一些运行参数给内核，

grub.conf文件

如上图，开头的几个选项是一些通用配置，只要定义默认菜单、超时时间和背景图的一些选项。重点是用红色框和绿色框的内容。

每个title对应一个菜单，如下图，title后面的字符串就是菜单所显示的内容。

每个title对应一个菜单

每个菜单，基本上都定义了三个类内容：root、kernel、initrd

第一个选项：root

指定grub以哪个硬盘分区作为根目录(hd0,0)是指第一个磁盘第一个分区的意思，它的索引从0开始算起。

这里说明一下，hd0,0一般挂载在/boot目录下，如

也就是说，hd0,0，其实对应sda1（sda1也是第一个磁盘第一个分区的意思嘛)然后sda1又挂在/boot目录下，所以指定root=hd0,0；其实也就是root=/boot的意思。虽然有点绕，但是最好还是理解一下。

第二个选项：kernel

kernel：后面指定压缩好的内核文件存放路径，前面已经说了内核文件一般存放在/boot目录下，然后上一个root选项指定了hd0,0作为根目录，相当于grub的根就是/boot，

所以kernel 后面指定的/vmlinuz-4.14.341其实说的就是/boot/vmlinuz-4.14.341这个文件。
指定好linux内核位置之后，还需要传递参数给内核，如linux的根文件系统在哪里，这是必须给出的。

指定linux根文件系统位置
绿框的是位置，因为我的根文件系统存放在LVM逻辑卷上，所以看上去可能不太好理解。

第三个选项：initrd

理解这个之前，先来说明下，内核启动后，主要的工作就是加载根文件系统，然后启动init初始化程序（通常就是/sbin/init），随后的所有用户空间的工作全部由init完成，内核不关心用户空间的程序。

内核为了加载init程序，需要加载根文件系统，因为init程序就是存放在根文件系统的/sbin目录下，而加载根文件系统是必须要有文件系统的驱动。而文件系统的驱动又在哪里呢？答案是在磁盘某个分区上，内核加载磁盘需要磁盘驱动，而驱动又存放在磁盘上，这就有了先有鸡还是先有蛋的问题，那么如何解决呢？

解决方法一：把根文件系统的驱动以模块方式嵌入到内核中，但文件系统又太多，都嵌入到内核明显是不合适的

解决方法二：跟grub那样，在加载真正的根文件系统之前，先加载这个临时的根文件系统，然后再去加载真正的根文件系统。这个临时的根文件系统，这个临时的文件系统是安装操作系统之后产生的，不是默认提供的，在安装系统时候，我们创建好了根文件系统，这个initramdisk就能根据我们的根文件系统来嵌入对应的文件系统驱动，而不用嵌入其他的驱动。如图

系统安装完成后，会自动创建initramfs

initramdisk存放着根文件系统的驱动生成的initramdisk文件存放在和内核一起的目录。
在Centos5之前，这个文件名叫：initrd-VERSION-RELEASE.img
在Centos6、7，这个文件名叫：initramfs-VERSION-RELEASE.img

两者区别在于
Linux特性之一：通过使用缓冲/缓存来达到加速对磁盘上文件的访问的目的，而ramdisk是加载到内存并模拟成磁盘来使用的，所以Linux就会为内存中的“磁盘”再使用一层缓冲/缓存
CentOS 5系列以及之前版本是存在此问题。
而为了解决一问题，CentOS 6/7系列版本就将其改为initramfs-VERSION-RELEASE.img，使用文件系统的方式就可以避免双缓冲/缓存了，我们可以说这是一种提速机制。
而且这两类的临时根系统有各自的特点，在其他文章中再说明

以上三个选项内容指定好后，grub程序把内核和临时根文件系统从磁盘中加载到内存中并解压运行。内核通过临时根加载到真正的根文件系统后，切换到真正的根文件系统中运行初始化程序init。

Centos5根6和7的临时根文件系统有区别，在Centos5中，使用initrd.xxx来作为临时根，内核通过内核线程来先挂载真正的根文件系统，然后再运行Init程序。而Centos6和7使用initramfs.xxx作为临时根，在initramfs中，内核直接就执行init程序了，挂载真正的根文件系统是由init程序来完成。

五、启动init程序

接下来就是用户空间init程序的介绍，Centos 5 6 7 中init程序都不一样。
Centos5使用sysV作为init程序
Centos6使用upstart作为init程序
Centos7使用systemd作为init程序
各init程序的区别我用其他文章做说明。
其实init程序启动之后，Linux的启动已经完成了
init的工作无非就是把初始化环境，启动开机启动程序，打印登陆提示符给用户。