Загрузка ОС Linux — процесс
Каждое семейство операционных систем производит загрузку по-своему. Это связанно с различной архитектурой ядра операционной системы, разными инструкциями по работе с подключенными устройствами. В данной статье попробую разобрать загрузку популярной операционной системы на ядре Linux Ubuntu.
Схематично процесс загрузки можно отобразить следующим образом.
Загружаемся
Итак, Нажимаем кнопку включения компьютера, и центральный процессор переходит на адрес BIOS. BIOS или UEFI, в более современных компьютерах, проводит систему проверок и выбирает носитель информации с которого будет производится загрузка операционной системы. На носителе находится MBR (Master Boot Record) или GPT (Guid Partition table) на новых компьютерах в которых находится загрузчик. А дальше уже в зависимости от настройки. Загрузчик может самостоятельно загружать операционную систему, а может передавать управление следующему загрузчику. Например, если Windows и Linux установлены на одном компьютере и находятся на разных разделах жесткого диска.
В любом случае, если идет речь о Linux у нас есть первая стадия с небольшой частью кода, которая загружает у нас загрузчик. Загрузчик знает где лежит ядро операционной системы, загружает ядро, загружает initial run disk, там находятся необходимые файлы и модули для загрузки ядра. Далее уже ядро берет процесс управления на себя. Происходит инициализация устройств, конфигурирование процессов памяти и так далее. После всех этих процессов ядро запускает процесс init.
Вернемся к вопросу загрузчиков, для каждой операционной системы разработан свой загрузчик, а иногда и несколько. NTLDR — Загрузчик операционной системы Windows, LILO — один из стандартных загрузчиков для Linux и BSD системы. GRUB — загрузчик операционной системы от проекта GNU. Нас интересуют последние два. Данные загрузчики работают в два этапа. На первом этапе у них крошечный код на MBR или GPT, который запускает исполнение кода второго этапа.
Перейдем непосредственно к самой загрузке.
Данное меню мы можем получить при загрузке если зажать клавишу Shift. Как видно на картинке в данном примере загрузчик GRUB версии 2.04. У нас есть несколько вариантов. Загрузка Ubuntu по умолчанию и вариант загрузки с расширенными опциями. В нашем случае расширенные опции не дают многого, а всего лишь позволяют начать загрузку в режиме восстановления recovery mode. Данная опция не является целью стати, и мы ее опустим. Вернемся к первому пункту загрузки. Выбираем, нажимаем «e» получаем следующую картину загрузки.
На данной картинке можно увидеть, что корневой раздел монтируется по uuid, он будет корневым root и непосредственно сам id. ID раздела можно посмотреть после загрузки операционной системы командой blkid. Можно часть параметров отредактировать или большинство. Более подробно можно поискать в интернете. По нажатию F10 осуществляется продолжение загрузки операционной системы.
После загрузки операционной системы, мы можем с помощью команды dmesg посмотреть, сообщения ядра, все что происходило с ядром. Нужно различать сообщения ядра и лог ядра. Который можно посмотреть cat /var/log/dmesg. Данный файл содержи информацию только о загрузке операционной системы. В данном файле содержится информация с самого начала загрузки операционной системы и до конца. Если событие происходит позднее, то в данном файле этой информации вы не найдете.
Система инициализации ОС
Есть такое понятие Init — это первый или родительский процесс, который запускает все последующие процессы. Это может быть проверка и монтирование файловых систем запуск служб и.т.д. Существует 3 варианта работы этого родительского процесса.
- Init в стиле SysV — родительский процесс инициализации системы на одном из заданных уровней запуска (runlevel); Т.е. есть несколько уровней загрузки (runlevel) обычно их 7 штук. Один из них — это обычный многопользовательский режим. Другие это выключение компьютера, перезагрузка, режим восстановления и т.д.
- Init в стиле systemd — родительский процесс инициализации системы в ускоренном режиме, за счёт параллельного запуска задач; Ускоренный режим достигается за счет использования процессора в частности Intel, который позволяет запускать процессы инициализации параллельно. К этому режиму есть еще куча софта библиотек, которые расширяют функционал.
- Init в стиле Upstart — родительский процесс инициализации системы на основе отслеживания событий; Данный режим используется на Ubuntu уже давным — давно, тут не только запускаются скрипты инициализации, но и запускаются скрипты отслеживания событий и реагирования на них. Т.е. это более гибкий процесс инициализации, например, если какая-то служба не запустилась или упала в процессе загрузки то, upstart умеет это отследить и запустить это повторно
В операционной систему Ubuntu можно посмотреть дерево процессов использую команду pstree. В результате ее вывода мы можем увидеть, что родительским процессом являлся процесс systemd. Который запускал уже свои, какие-то дочерние процессы. Перейдем в корневую директорию boot.
Здесь мы можем увидеть директорию загрузчика grub. Ядра линуксовые vmlinuz (ссылка на ядро) и до обновления старое ядро vmlinux.old (ссылка на старое ядро). Соответственно пара initrd* — файлы диска, эти файлы содержат диск, который грузится в оперативную память, данный диск содержит файлы необходимые самому ядру Linux для нормальной загрузки.
Перейдя в директорию grub, мы можем найти конфигурационный файл grub.cfg и несколько вспомогательных, но не менее важных фалов. Соответственно мы можем внести изменения в данный файл на постоянной основе и соответственно данный код будет выполнятся при каждой загрузке операционной системы.
6 шагов загрузки Linux на пальцах
Нажмите кнопку включения питания на вашем системнике, и спустя несколько секунд вы увидите окно входа в систему.
Посмею предположить, что каждого интересовало хоть когда-либо то, что происходит за занавесом заставок и загрузочных экранов с момента включения питания компьютера к моменту, когда предлагается войти в систему.
Я предлагаю вам познакомиться со следующими уровнями типичной загрузки Linux:
1. BIOS
- BIOS отвечает за базовый ввод/вывод данных с устройств/на устройства.
- Делает некоторые проверки целостности устройств. К тому же, за тестирование работоспособности электроники отвечает POST (Power-on self-test, он же «тест на адекватность себя самого», выполняющийся как этап пре-загрузки), который управляется BIOS
- Ищет, загружает и выполняет программу-загрузчик ОС
- Берет загрузчик из флопика, сидюка или жесткого диска. Во время загрузки BIOS’а вы можете нажать на кнопку (обычно это F12 или F2 или Del, зависит от платформы), если вам требуется внести некоторые изменения касательно настройки железа.
- Как только загрузчик был обнаружен и загружен в память, BIOS передает управление ему.
- Короче говоря, BIOS загружает и выполняет загрузочную запись (MBR).
2. MBR
- MBR — это главная загрузочная запись, хранящаяся на жестком диске
- Она размещена в 1-м секторе загрузочного диска, например /dev/hda или /dev/sda
- MBR занимает меньше, чем 512 байтов. Она состоит из трех компонентов: 1) главная загрузочная информация, «живущая» в первых 446 байтах; 2) информация о таблице разделов — в следующих 64 байтах; 3) и последние 2 байта нужны для проверки корректности mbr.
- Она содержит информацию о GRUB’е (или LILO).
- Простыми словами — MBR загружает и выполняет загрузчик GRUB.
3. GRUB
- GRUB — Grand Unified Bootloader.
- Если в вашей системе установлено более, чем одно ядро, у вас есть возможность выбирать, которое из них должен выполняться
- GRUB отображает
красивую анимацию plymouthзаставку, и, подождав несколько секунд интерактивного воздействия пользователя, если он не нажал ни одной клавиши, он загружает ядро, установленное по умолчанию в файле конфигурации grub. - GRUB понимает, что такое файловая система (древние загрузчики Linux’а, например, LILO этого не понимают).
- Конфигурационный файл Grub обычно лежит по пути /boot/grub/grub.conf (так же /etc/grub.conf может быть символьной ссылкой на него). Вот пример файла конфигурации для CentOS:
#boot=/dev/sda
default=0
timeout=5
splashimage=(hd0,0)/boot/grub/splash.xpm.gz
hiddenmenu
title CentOS (2.6.18-194.el5PAE)
root (hd0,0)
kernel /boot/vmlinuz-2.6.18-194.el5PAE ro root=LABEL=/
initrd /boot/initrd-2.6.18-194.el5PAE.img
4. Ядро или Kernel
- Ядро монтирует файловую систему в соответствии с настройкой «root=» в фале grub.conf
- Выполняет программу /sbin/init
- Поскольку init — это первый процесс, запущенный ядром Linux, поэтому она имеет идентификатор процесса (PID) №1. Можете выполнить «ps -ef | grep init» и убедиться в этом.
- initrd — это Initial RAM Disk, он же временный диск в оперативной памяти
- initrd используется самим ядром в качестве временной корневой файловой системы, пока kernel не загрузится в реальную примонтированную файловую систему. Этот временный диск также содержит необходимые для загрузки драйверы, позволяющие получить доступ к разделам дисков и другому оборудованию
5. Init
- Смотрит в файл /etc/inittab для того, чтобы определить уровень выполнения (run level).
- Есть следующие уровни выполнения:
- 0 – прервать выполнение
- 1 – Однопользовательский режим, так называемый «Single user mode», или иными словами, консоль восстановления
- 2 – Многопользовательский режим без поддержки NFS
- 3 – Полноценный многопользовательский режим
- 4 – не используется
- 5 – X11
- 6 – перезагрузка
6. Уровень выполнения программ (Runlevel)
- Когда Линукс выполняет свою загрузку, вы можете наблюдать загрузку различных служб. К примеру, это могут быть сообщения типа «starting Postfix … OK» (запускается Postfix). Эти службы — и называются программами уровня выполнения, выполняемые из директории, которая соответствует нужному уровню выполнения.
- Исходя из настроек по умолчанию, система будет выполнять файлы в соответствии с нижеприведенными директориями.
- Выполнение уровня 0 – /etc/rc.d/rc0.d/
- Выполнение уровня 1 – /etc/rc.d/rc1.d/
- Выполнение уровня 2 – /etc/rc.d/rc2.d/
- Выполнение уровня 3 – /etc/rc.d/rc3.d/
- Выполнение уровня 4 – /etc/rc.d/rc4.d/
- Выполнение уровня 5 – /etc/rc.d/rc5.d/
- Выполнение уровня 6 – /etc/rc.d/rc6.d/
Вот и все. Возможно, некоторым из вас это не ново и особого интереса не было при чтении статью, поскольку она более ориентирована на начально-средний уровень знакомства з Линуксом.
В таком случае могу лишь сказать, что «повторение — мать учения» (с).Дополнения, исправления, уточнения
- artemlight:: «Ну скажем прямо — так грузятся далеко не все дистры». С ним согласилось большинство, отмечая и bsd-style init, u-boot, и хоть initrd в статье пропущен, стоить заметить, что он нужен ядру не во всех дистрибутивах. Также отмечено, что в slackware поддержка rc.d осуществляется только в качестве совместимости, а встраиваемые системы грузятся иначе. На декстопах иногда бывает EFI, а кроме того Linux популярен в мире embedded и там ещё куча разных платформ. Линукс в телефоне вообще иначе грузится.
- soomrack, ссылая на википедию: Еще хочется сделать замечание по поводу MBR, первого сектора и пр. Все несколько усложнилось за последние годы. Сейчас уместней говорить о EFI.