【Linux鸟哥笔记】20-启动流程、模块管理与Loader

前言
最近兄弟@programer_cao 在装ROS 系统，奈何实验室的服务器太拉跨，三天一奔溃两天一死机，前端时间装的Ubuntu18.04 系统经常报错，问题主要集中在可以出现Grub 界面但之后卡在初始化内存盘界面（无法进入Ubuntu 的开机界面），定位错误后发现Grub 中的配置文件被修改导致开机程序无法正确启动，因此学习一下原理，期待能够对这类问题有更深入的了解。

目录浏览

1. Linux 启动流程分析
2. 内核与内核模块
3. Boot loader: Grub
4. 启动过程中的问题解决

章节学习

引导装载程序（Boot Loader）：Grub（主流）、LILO、spfdisk。

启动流程

1. 加载BIOS自我测试
2. 获取第一个启动设备内MBR或者UEFI的Boot Loader
3. 加载内核Kernel
4. kernel加载驱动并检测硬件
5. 硬件驱动成功后，调用init进程，取得run-level信息
   • init 执行 /etc/rc.d/rc.sysinit来准备操作环境——网络、时区等
   • init 执行run-level用script方式启动各个服务
   • init 执行 /etc/rc.d/rc.local文件
   • init 执行 mingetty 终端机模拟程序、启动login进程，最后等待登陆

BIOS加载

在启动电源后，主板会加载存储中的BIOS（Basic Input Output System），通过BIOS程序加载CMOS信息，获得主机的硬件配置，进行POST开机自检，初始化硬件检测并确定可启动的设备顺序，为读取启动程序做好基础。
Boot Loader同时安装在启动设备的第一个sector内，BIOS需要通过Boot Loader 程序加载Kernel文件。
Kernel 开始驱动周边设备。
这里注意几个点：

1. 读取Boot Loader：
   BIOS 可以通过INT 13 这条信道来确保读取磁盘的MBR 分区，从而实现读取Boot Loader 程序。
2. 多个Boot Loader：
   整个主机存储中可以分成两个部分，即MBR 分区和文件系统分区（如windows 文件系统和Linux 文件系统等），文件系统分区中保留一个引导扇区（Boot Sector）用于安装Boot Loader，但是电脑启动时，只会启动MBR 分区中的Boot Loader，因此在安装操作系统时需要主要MBR 分区的安装（可能会被新安装系统的Boot Loader 给覆盖）。
   为了实现多重系统，还需要进行多重引导，以Linux 系统为例，Linux Loader 中具有菜单选择、直接启动等功能，其中选择菜单提供了其它Loader 选项，因此我们在Grub 界面中可以选择想要启动的系统。
   Q：为什么实现多系统需要先装windows再装linux？
   A：注意MBR 分区最后被linux loader 所覆盖。
3. 内核在哪？
   /boot 路径下

内核功能

（在BL 加载完内核之后）内核可以动态加载内核模块，模块放置于/lib/modules内（自定义内核模块放置在/etc/sysconfig/modules/*.modules），内核在启动过程中检测硬件并挂载根目录来额外的驱动程序。
虚拟文件系统（initialRAM Disk），放置于/boot/initrd内，该系统可被BL 加载进内存并仿真成一个虚拟根目录用以加载需要的驱动程序，完成所以驱动后内核会重新调用/sbin/init来启动系统。

init进程

回顾一下上面的内容

5. 硬件驱动成功后，调用init进程，取得run-level信息
   • init 执行 /etc/rc.d/rc.sysinit来准备操作环境——网络、时区等
   • init 执行run-level用script方式启动各个服务
   • init 执行 /etc/rc.d/rc.local文件
   • init 执行 mingetty 终端机模拟程序、启动login进程，最后等待登陆

针对进程执行的过程，简略的提一下各部分的原理：
首先系统会开启/sbin/init 进程，以此准备系统执行环境和run-level 配置。

1. run-level
   run-level 是系统服务的执行等级，它规定了从关机、单用户维护模式、重启等7种服务类型（分为3类：0关机/4系统保留功能/6重启、1单用户维护模式、2无网络系统/3有网络文本系统/5有网络界面系统）。通过/etc/inittab配置文件设置run-level 等级，使用script 命令的方式来使用不同的服务。想要了解更多inittab 配置文件的信息可以参考/etc/inittab配置文件详解。
   另外说一句，inittab文件可以自行修改来自行设计启动环境的配置，所以一般不要修改这个文件，以免产生未知的问题。
   关于run-level 切换等更高级的操作，等待以后再更新。

2. /etc/rc.d/rc.sysinit 系统初始化
   一句话：设置系统环境（网络环境、挂载设备、是否启用SElink、字体、时钟、欢迎界面、文件系统等等等）详情请参考：/etc/sysconfig/

3. 启动系统服务
   /etc/rc.d/rc N
   比如run-level=5时，会执行/etc/rc.d /rc 5来取得/etc/rc.d/rc5.d/目录下面所有脚本程序，这些程序负责各项系统服务的开关。

4. 用户自定义开机程序
   /etc/rc.d/rc.local，当你想要在开机时完成一些酷炫吊炸天的工作（例如开机程序中插入一些字符、《星球大战》电影等等），将所需执行的命令写入该文件，这样系统在启动过程中便会自动执行操作。

5. 加载mingetty 终端机或者 X Window 界面
   一般是tty1-6 6个终端机。
   另外读者可以自己了解respawn 命令的作用。

6. 启动配置文件
   大多数配置文件放在/etc/sysconfig/目录下，
   /etc/modprobe.conf ：对模块进行参数规划
   /etc/sysconfig/* ：用户身份、时钟、语言、键鼠、网络、网卡配置等文件

内核与内核模块

内核一般作为加载驱动和硬件检测的重要主体，在系统启动中具有重要的地位，也因此在日常使用中我们极少会碰到这些文件，所以一般而言内核部分只做了解即可，不用深入。
内核与内核模块更多资料请参考本链接

Boot Loader: Grub

Step1. 程序代码执行
安装在MBR 或boot sector 中，只是最小主程序，没有相关配置文件。
Step2. 设置值加载
所有配置文件（最重要的就是menu.lst ）和环境参数文件，一般在/boot 目录下（与grub 有关的放在/boot/grub 下）

所以认识Grub 对于我们了解系统实际启动的流程具有很大帮助。
grub 识别硬盘：(hd0,1)代表第1块查找到的硬盘的第2个分区
grub 中的menu.lst 和grub.conf：menu是链接到conf文件上的，因此本体还是conf，通过vim打开可以看到其代码与我们的grub选择菜单具有高度的相关性。想要修改grub选择菜单中的选项就在menu.lst 文件中修改即可（注意！！！conf千万不要修改！！！conf千万不要修改！！！conf千万不要修改）
grub 的作用：加载内核文件、利用chain loader转交控制权（双系统）
在线编辑及命令行启动：选择内核文件，按e进入编辑模式即可修改启动设置。
vga设置：在编辑时加入vga=xxx，详情请参考ubuntu启动界面vga分辨率的调整

initrd 文件

辅助内核文件的加载，不作了解。

至于启动前的额外功能修改、vga设置、BIOS无法读取较大硬盘、为菜单加上密码，这些等到有使用需求的时候现学即可。

启动过程问题解决

1. 忘记root

2. init 配置文件错误

3. BIOS 磁盘故障

4. 文件系统错误而无法启动
   关键词：Loading Initial Ramdisk、载入初始化内存盘、紫屏、无能狂怒。
   问题描述：启动时停留在紫色界面，然后使用advanced 选项，新内核和旧内核的所有选项均无法打开（普通、upstart、recovery mode），均卡在载入初始化内存盘，进行检测确认initrd 进程已经加载，并且启动配置文件。
   问题定位：

   1. 起初大兄弟看了这篇文章，修改了grub 和 modules 中的部分命令，所以一开始认为是系统启动过程或者内核加载中的错误。可以参考以下文章：
      ubuntu内核损坏或误删除时的系统修复
      ubuntu无法启动的解决方法
      【linux】解决系统卡在ubuntu loading initial ramdisk
      Ubuntu16.04开机后黑屏无法进入登陆界面的解决办法
      Ubuntu开机紫屏的解决方法
      Ubuntu 16.04系统开机紫屏的解决办法
      GRUB2 hanging at ‘loading initial ramdisk’

      针对内核：启动旧内核并进行修复
      针对启动命令：进入高级选项-在线编辑并启动单用户维护模式，修改错误的命令或者取消错误的硬盘挂载。
      结果：无效。可见我们的错误并不在于启动命令的错误

   2. （有效）使用grub 自带的recovery mode 进行修复。然而在启动过程中也出现卡在加载初始化内存盘，使用在线编辑，将ro 只读改成rw 可读写，并ctrl + x引导启动，成功打开recovery mode。
      
      修复菜单大概如图所示，这时把所有选项滚一边，再次重启，成功进入登陆界面，问题得到解决。
      参考文章：
      Ubuntu 16.04 启动长时间停留在紫屏状态 - Loading Initial Ramdisk
      ubuntu的recovery mode
      ubuntu14.04无法启动使用recovery mode编辑fstab解决

5. 切换硬盘