linux啟動流程
一、第一階段：BIOS
上個世紀70年代初，"只讀內存"（read-only memory，縮寫為ROM）發明，開機程序被刷入ROM芯片，計算機通電后，第一件事就是讀取它。
這塊芯片里的程序叫做"基本輸出輸入系統"（Basic Input/Output System），簡稱為BIOS。
1.1 硬件自檢
BIOS程序首先檢查，計算機硬件能否滿足運行的基本條件，這叫做"硬件自檢"（Power-On Self-Test），縮寫為POST。
如果硬件出現問題，主板會發出不同含義的蜂鳴，啟動中止。如果沒有問題，屏幕就會顯示出CPU、內存、硬盤等信息。
1.2 啟動順序
硬件自檢完成后，BIOS把控制權轉交給下一階段的啟動程序。
這時，BIOS需要知道，"下一階段的啟動程序"具體存放在哪一個設備。也就是說，BIOS需要有一個外部儲存設備的排序，排在前面的設備就是優先轉交控制權的設備。這種排序叫做"啟動順序"（Boot Sequence）。
打開BIOS的操作界面，里面有一項就是"設定啟動順序"。
二、第二階段：主引導記錄
BIOS按照"啟動順序"，把控制權轉交給排在第一位的儲存設備。
這時，計算機讀取該設備的第一個扇區，也就是讀取最前面的512個字節。如果這512個字節的最后兩個字節是0x55和0xAA，表明這個設備可以用於啟動；如果不是，表明設備不能用於啟動，控制權於是被轉交給"啟動順序"中的下一個設備。
這最前面的512個字節，就叫做"主引導記錄"（Master boot record，縮寫為MBR）。
2.1 主引導記錄的結構
"主引導記錄"只有512個字節，放不了太多東西。它的主要作用是，告訴計算機到硬盤的哪一個位置去找操作系統。
主引導記錄由三個部分組成：
（1） 第1-446字節：調用操作系統的機器碼。
（2） 第447-510字節：分區表（Partition table）。
（3） 第511-512字節：主引導記錄簽名（0x55和0xAA）。
其中，第二部分"分區表"的作用，是將硬盤分成若干個區。
2.2 分區表
硬盤分區有很多好處。考慮到每個區可以安裝不同的操作系統，"主引導記錄"因此必須知道將控制權轉交給哪個區。
分區表的長度只有64個字節，里面又分成四項，每項16個字節。所以，一個硬盤最多只能分四個一級分區，又叫做"主分區"。
每個主分區的16個字節，由6個部分組成：
（1） 第1個字節：如果為0x80，就表示該主分區是激活分區，控制權要轉交給這個分區。四個主分區里面只能有一個是激活的。
（2） 第2-4個字節：主分區第一個扇區的物理位置（柱面、磁頭、扇區號等等）。
（3） 第5個字節：主分區類型。
（4） 第6-8個字節：主分區最后一個扇區的物理位置。
（5） 第9-12字節：該主分區第一個扇區的邏輯地址。
（6） 第13-16字節：主分區的扇區總數。
最后的四個字節（"主分區的扇區總數"），決定了這個主分區的長度。也就是說，一個主分區的扇區總數最多不超過2的32次方。
如果每個扇區為512個字節，就意味着單個分區最大不超過2TB。再考慮到扇區的邏輯地址也是32位，所以單個硬盤可利用的空間最大也不超過2TB。如果想使用更大的硬盤，只有2個方法：一是提高每個扇區的字節數，二是增加扇區總數。
三、第三階段：硬盤啟動
這時，計算機的控制權就要轉交給硬盤的某個分區了，這里又分成三種情況。
3.1 情況A：卷引導記錄
上一節提到，四個主分區里面，只有一個是激活的。計算機會讀取激活分區的第一個扇區，叫做"卷引導記錄"（Volume boot record，縮寫為VBR）。
"卷引導記錄"的主要作用是，告訴計算機，操作系統在這個分區里的位置。然后，計算機就會加載操作系統了。
3.2 情況B：擴展分區和邏輯分區
隨着硬盤越來越大，四個主分區已經不夠了，需要更多的分區。但是，分區表只有四項，因此規定有且僅有一個區可以被定義成"擴展分區"（Extended partition）。
所謂"擴展分區"，就是指這個區里面又分成多個區。這種分區里面的分區，就叫做"邏輯分區"（logical partition）。
計算機先讀取擴展分區的第一個扇區，叫做"擴展引導記錄"（Extended boot record，縮寫為EBR）。它里面也包含一張64字節的分區表，但是最多只有兩項（也就是兩個邏輯分區）。
計算機接着讀取第二個邏輯分區的第一個扇區，再從里面的分區表中找到第三個邏輯分區的位置，以此類推，直到某個邏輯分區的分區表只包含它自身為止（即只有一個分區項）。因此，擴展分區可以包含無數個邏輯分區。
但是，似乎很少通過這種方式啟動操作系統。如果操作系統確實安裝在擴展分區，一般采用下一種方式啟動。
3.3 情況C：啟動管理器
在這種情況下，計算機讀取"主引導記錄"前面446字節的機器碼之后，不再把控制權轉交給某一個分區，而是運行事先安裝的"啟動管理器"（boot loader），由用戶選擇啟動哪一個操作系統。
Linux環境中，目前最流行的啟動管理器是Grub。
四、第四階段：操作系統
控制權轉交給操作系統后，操作系統的內核首先被載入內存。
以Linux系統為例，先載入/boot目錄下面的kernel。內核加載成功后，第一個運行的程序是/sbin/init。它根據配置文件（Debian系統是/etc/initab）產生init進程。這是Linux啟動后的第一個進程，pid進程編號為1，其他進程都是它的后代。
然后，init線程加載系統的各個模塊，比如窗口程序和網絡程序，直至執行/bin/login程序，跳出登錄界面，等待用戶輸入用戶名和密碼。
至此，全部啟動過程完成。
分割線:擴展知識
半年前，我寫了《計算機是如何啟動的？》，探討BIOS和主引導記錄的作用。
那篇文章不涉及操作系統，只與主板的板載程序有關。今天，我想接着往下寫，探討操作系統接管硬件以后發生的事情，也就是操作系統的啟動流程。
這個部分比較有意思。因為在BIOS階段，計算機的行為基本上被寫死了，程序員可以做的事情並不多；但是，一旦進入操作系統，程序員幾乎可以定制所有方面。所以，這個部分與程序員的關系更密切。
我主要關心的是Linux操作系統，它是目前服務器端的主流操作系統。下面的內容針對的是Debian發行版，因為我對其他發行版不夠熟悉。
第一步、加載內核
操作系統接管硬件以后，首先讀入 /boot 目錄下的內核文件。
以我的電腦為例，/boot 目錄下面大概是這樣一些文件：
$ ls /boot config-3.2.0-3-amd64 config-3.2.0-4-amd64 grub initrd.img-3.2.0-3-amd64 initrd.img-3.2.0-4-amd64 System.map-3.2.0-3-amd64 System.map-3.2.0-4-amd64 vmlinuz-3.2.0-3-amd64 vmlinuz-3.2.0-4-amd64
第二步、啟動初始化進程
內核文件加載以后，就開始運行第一個程序 /sbin/init，它的作用是初始化系統環境。
由於init是第一個運行的程序，它的進程編號（pid）就是1。其他所有進程都從它衍生，都是它的子進程。
第三步、確定運行級別
許多程序需要開機啟動。它們在Windows叫做"服務"（service），在Linux就叫做"守護進程"（daemon）。
init進程的一大任務，就是去運行這些開機啟動的程序。但是，不同的場合需要啟動不同的程序，比如用作服務器時，需要啟動Apache，用作桌面就不需要。Linux允許為不同的場合，分配不同的開機啟動程序，這就叫做"運行級別"（runlevel）。也就是說，啟動時根據"運行級別"，確定要運行哪些程序。
Linux預置七種運行級別（0-6）。一般來說，0是關機，1是單用戶模式（也就是維護模式），6是重啟。運行級別2-5，各個發行版不太一樣，對於Debian來說，都是同樣的多用戶模式（也就是正常模式）。
init進程首先讀取文件 /etc/inittab，它是運行級別的設置文件。如果你打開它，可以看到第一行是這樣的：
id:2:initdefault:
initdefault的值是2，表明系統啟動時的運行級別為2。如果需要指定其他級別，可以手動修改這個值。
那么，運行級別2有些什么程序呢，系統怎么知道每個級別應該加載哪些程序呢？......回答是每個運行級別在/etc目錄下面，都有一個對應的子目錄，指定要加載的程序。
/etc/rc0.d /etc/rc1.d /etc/rc2.d /etc/rc3.d /etc/rc4.d /etc/rc5.d /etc/rc6.d
上面目錄名中的"rc"，表示run command（運行程序），最后的d表示directory（目錄）。下面讓我們看看 /etc/rc2.d 目錄中到底指定了哪些程序。
$ ls /etc/rc2.d README S01motd S13rpcbind S14nfs-common S16binfmt-support S16rsyslog S16sudo S17apache2 S18acpid ...
可以看到，除了第一個文件README以外，其他文件名都是"字母S+兩位數字+程序名"的形式。字母S表示Start，也就是啟動的意思（啟動腳本的運行參數為start），如果這個位置是字母K，就代表Kill（關閉），即如果從其他運行級別切換過來，需要關閉的程序（啟動腳本的運行參數為stop）。后面的兩位數字表示處理順序，數字越小越早處理，所以第一個啟動的程序是motd，然后是rpcbing、nfs......數字相同時，則按照程序名的字母順序啟動，所以rsyslog會先於sudo啟動。
這個目錄里的所有文件（除了README），就是啟動時要加載的程序。如果想增加或刪除某些程序，不建議手動修改 /etc/rcN.d 目錄，最好是用一些專門命令進行管理（參考這里和這里）。
第四步、加載開機啟動程序
前面提到，七種預設的"運行級別"各自有一個目錄，存放需要開機啟動的程序。不難想到，如果多個"運行級別"需要啟動同一個程序，那么這個程序的啟動腳本，就會在每一個目錄里都有一個拷貝。這樣會造成管理上的困擾：如果要修改啟動腳本，豈不是每個目錄都要改一遍？
Linux的解決辦法，就是七個 /etc/rcN.d 目錄里列出的程序，都設為鏈接文件，指向另外一個目錄 /etc/init.d ，真正的啟動腳本都統一放在這個目錄中。init進程逐一加載開機啟動程序，其實就是運行這個目錄里的啟動腳本。
下面就是鏈接文件真正的指向。
$ ls -l /etc/rc2.d README S01motd -> ../init.d/motd S13rpcbind -> ../init.d/rpcbind S14nfs-common -> ../init.d/nfs-common S16binfmt-support -> ../init.d/binfmt-support S16rsyslog -> ../init.d/rsyslog S16sudo -> ../init.d/sudo S17apache2 -> ../init.d/apache2 S18acpid -> ../init.d/acpid ...
這樣做的另一個好處，就是如果你要手動關閉或重啟某個進程，直接到目錄 /etc/init.d 中尋找啟動腳本即可。比如，我要重啟Apache服務器，就運行下面的命令：
$ sudo /etc/init.d/apache2 restart
/etc/init.d 這個目錄名最后一個字母d，是directory的意思，表示這是一個目錄，用來與程序 /etc/init 區分。
第五步、用戶登錄
開機啟動程序加載完畢以后，就要讓用戶登錄了。
一般來說，用戶的登錄方式有三種：
（1）命令行登錄
（2）ssh登錄
（3）圖形界面登錄
這三種情況，都有自己的方式對用戶進行認證。
（1）命令行登錄：init進程調用getty程序（意為get teletype），讓用戶輸入用戶名和密碼。輸入完成后，再調用login程序，核對密碼（Debian還會再多運行一個身份核對程序/etc/pam.d/login）。如果密碼正確，就從文件 /etc/passwd 讀取該用戶指定的shell，然后啟動這個shell。
（2）ssh登錄：這時系統調用sshd程序（Debian還會再運行/etc/pam.d/ssh ），取代getty和login，然后啟動shell。
（3）圖形界面登錄：init進程調用顯示管理器，Gnome圖形界面對應的顯示管理器為gdm（GNOME Display Manager），然后用戶輸入用戶名和密碼。如果密碼正確，就讀取/etc/gdm3/Xsession，啟動用戶的會話。
第六步、進入 login shell
所謂shell，簡單說就是命令行界面，讓用戶可以直接與操作系統對話。用戶登錄時打開的shell，就叫做login shell。
Debian默認的shell是Bash，它會讀入一系列的配置文件。上一步的三種情況，在這一步的處理，也存在差異。
（1）命令行登錄：首先讀入 /etc/profile，這是對所有用戶都有效的配置；然后依次尋找下面三個文件，這是針對當前用戶的配置。
~/.bash_profile ~/.bash_login ~/.profile
需要注意的是，這三個文件只要有一個存在，就不再讀入后面的文件了。比如，要是 ~/.bash_profile 存在，就不會再讀入后面兩個文件了。
（2）ssh登錄：與第一種情況完全相同。
（3）圖形界面登錄：只加載 /etc/profile 和 /.profile。也就是說，/.bash_profile 不管有沒有，都不會運行。
第七步，打開 non-login shell
老實說，上一步完成以后，Linux的啟動過程就算結束了，用戶已經可以看到命令行提示符或者圖形界面了。但是，為了內容的完整，必須再介紹一下這一步。
用戶進入操作系統以后，常常會再手動開啟一個shell。這個shell就叫做 non-login shell，意思是它不同於登錄時出現的那個shell，不讀取/etc/profile和.profile等配置文件。
non-login shell的重要性，不僅在於它是用戶最常接觸的那個shell，還在於它會讀入用戶自己的bash配置文件 ~/.bashrc。大多數時候，我們對於bash的定制，都是寫在這個文件里面的。
你也許會問，要是不進入 non-login shell，豈不是.bashrc就不會運行了，因此bash 也就不能完成定制了？事實上，Debian已經考慮到這個問題了，請打開文件 ~/.profile，可以看到下面的代碼：
if [ -n "$BASH_VERSION" ]; then if [ -f "$HOME/.bashrc" ]; then . "$HOME/.bashrc" fi fi
上面代碼先判斷變量 $BASH_VERSION 是否有值，然后判斷主目錄下是否存在 .bashrc 文件，如果存在就運行該文件。第三行開頭的那個點，是source命令的簡寫形式，表示運行某個文件，寫成"source ~/.bashrc"也是可以的。
因此，只要運行～/.profile文件，～/.bashrc文件就會連帶運行。但是上一節的第一種情況提到過，如果存在～/.bash_profile文件，那么有可能不會運行～/.profile文件。解決這個問題很簡單，把下面代碼寫入.bash_profile就行了。
if [ -f ~/.profile ]; then . ~/.profile fi
這樣一來，不管是哪種情況，.bashrc都會執行，用戶的設置可以放心地都寫入這個文件了。
Bash的設置之所以如此繁瑣，是由於歷史原因造成的。早期的時候，計算機運行速度很慢，載入配置文件需要很長時間，Bash的作者只好把配置文件分成了幾個部分，階段性載入。系統的通用設置放在 /etc/profile，用戶個人的、需要被所有子進程繼承的設置放在.profile，不需要被繼承的設置放在.bashrc。
順便提一下，除了Linux以外， Mac OS X 使用的shell也是Bash。但是，它只加載.bash_profile，然后在.bash_profile里面調用.bashrc。而且，不管是ssh登錄，還是在圖形界面里啟動shell窗口，都是如此。
--轉自阮一峰博客，侵刪。