计算机启动 Ubuntu系统初始化 SysV Systemd

计算机启动过程

第一阶段：BIOS

boot （bootstrap的缩写）来自一句谚语："pull oneself up by one's bootstraps"

最早的时候，计算机启动是一个很矛盾的过程：必须先运行程序，然后计算机才能启动，但是计算机不启动就无法运行程序！因此必须想办法，把一小段开机程序装进内存，然后计算机才能正常运行

开机程序叫做"基本输入输出系统"（Basic Input/Output System），简称为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（新材料？）

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

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。

在BIOS的操作界面，有一项是"设定启动顺序"，即设定外部储存设备的启动顺序（Boot Sequence），计算机按启动顺序依次转交控制权

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）

主引导记录

"主引导记录"只有512个字节，主要作用是告诉计算机到硬盘的哪一个位置去找操作系统

主引导记录由三个部分组成：

• 第1-446字节：调用操作系统的机器码

• 第447-510字节：分区表（Partition table）

• 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

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"。且四个主分区里面只能有一个是激活的

每个主分区的16个字节，由6个部分组成：

• 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。

• 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）

• 第5个字节：主分区类型

• 第6-8个字节：主分区最后一个扇区的物理位置

• 第9-12字节：该主分区第一个扇区的逻辑地址

• 第13-16字节：主分区的扇区总数

第三阶段：硬盘启动

通过主引导记录，计算机知道了操作系统在硬盘哪个分区的哪个位置，就将控制权交给硬盘的某个分区

• 卷引导记录

  如果操作系统安装在激活主分区，那么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，VBR），获知操作系统在这个分区里的位置。然后加载操作系统

• 启动管理器

  硬盘可以定义一个扩展分区，扩展分区又可以分成多个逻辑分区

  扩展分区的第一个扇区叫"扩展引导记录"（Extended boot record，EBR）。里面也包含一张64字节的分区表，分区表中包含下一个逻辑分区的位置

  如果操作系统安装在扩展分区，计算机在读取主引导记录的前446字节的机器码之后，将控制权交给事先安装的启动管理器（linux环境中是 Grub），由用户选择加载哪个操作系统

第四阶段：加载操作系统

加载内核

读取/boot目录下的内核文件

启动初始化进程

SysV init 初始化系统

1. 执行 /sbin/init程序，启动init进程（PID=1），是linux的父进程，其他所有进程都是它的子进程
2. init 读取 /etc/inittab文件，获知设定的运行级别
3. init 根据运行级别，去对应的/etc/rcN.d目录，启动目录下指定的程序

Systemd 初始化系统

1. 执行 /sbin/init程序，启动init进程（PID=1），是linux的父进程，其他所有进程都是它的子进程

   lfp@legion:/sbin$ ll
   # 指向 systemd
   lrwxrwxrwx  1 root root        20 4月  20 22:12 init -> /lib/systemd/systemd*
   

2. systemd 执行default.target 获知设定的启动 Target

3. systemd 执行设定的启动 Target 对应的 target 单元文件。根据单元文件中定义的依赖关系，依次执行 target 单元文件，同时启动位于/etc/systemd/system/下对应xxx.target.wants目录下的守护进程

   Target 是 Systemd 中类似 SysV 中 Runlevel 的一个概念，用来对 unit 进行分组
   默认启动 Target 为 graphical.target 那么就执行位于/lib/systemd/system/下的 graphical.target 单元文件

   而 graphical.target 的依赖关系是

   [Unit]
   Description=Graphical Interface
   Documentation=man:systemd.special(7)
   Requires=multi-user.target #
   Wants=display-manager.service 
   Conflicts=rescue.service rescue.target
   After=multi-user.target rescue.service rescue.target display-manager.service #
   AllowIsolate=yes
   

   因此，依次启动 multi-user.target --> basic.target --> sysinit.target --> local-fs.target -->local-fs-pre.target --> ...

   同时启动位于 /etc/systemd/system/目录下对应 xxx.target.wants 子目录下的 service单元文件指定的守护进程

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Ubuntu18.04 启动流程图

http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html

http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/08/linux_boot_process.html