從開(kāi)機(jī)到第一行l(wèi)inux內(nèi)核代碼執(zhí)行之間的全部過(guò)程

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0x01 全景圖
本篇文章會(huì)根據(jù)下面這張全景圖，來(lái)講解從開(kāi)機(jī)到第一行l(wèi)inux內(nèi)核代碼執(zhí)行，之間的全部過(guò)程。



0x02 從開(kāi)機(jī)到boot loader
電腦開(kāi)機(jī)后，內(nèi)嵌到主板上的uefi系統(tǒng)固件就會(huì)開(kāi)始執(zhí)行。

固件的英文是firmware, 它是一種介于軟件software和硬件hardware之間的，內(nèi)嵌到硬件上的軟件。

uefi固件開(kāi)始執(zhí)行后，會(huì)先檢測(cè)并初始化系統(tǒng)硬件，然后在它內(nèi)部一個(gè)叫做boot manager的組件就開(kāi)始執(zhí)行。

uefi boot manager的作用，就是尋找并啟動(dòng)一個(gè)uefi應(yīng)用程序。

所謂uefi應(yīng)用程序，就是一個(gè)以PE32+格式存儲(chǔ)的程序文件。

PE32+文件格式，是 uefi規(guī)范中指定的，uefi應(yīng)用程序使用的存儲(chǔ)格式，它和Windows程序使用的 存儲(chǔ)格式 是一樣的。

另外，linux程序使用的存儲(chǔ)格式是 ELF，mac程序使用的存儲(chǔ)格式是Mach-O。

定義程序的存儲(chǔ)格式，是為了在執(zhí)行程序時(shí)，程序的執(zhí)行者，比如操作系統(tǒng)，可以找到程序的代碼在哪里，數(shù)據(jù)在哪里。

綜上我們可知，任何程序只要是以PE32+文件格式存儲(chǔ)的，且符合uefi規(guī)范的，都可以被uefi直接執(zhí)行。

linux內(nèi)核默認(rèn)也被編譯成了PE32+文件格式，所以它也是可以被uefi直接執(zhí)行的。

不過(guò)通常情況下我們不會(huì)這么做，我們一般會(huì)在uefi和linux內(nèi)核之間，添加一個(gè)boot loader，然后讓boot
    loader啟動(dòng)linux內(nèi)核。

這樣做的好處是，我們可以非常方便的配置要傳遞給內(nèi)核的initrd文件，以及各種參數(shù)等。

總之，增加一個(gè)boot loader層，給我們帶來(lái)了更多的靈活性。

現(xiàn)在主流的boot loader有兩個(gè)，一個(gè)是grub，一個(gè)是systemd-boot。

grub雖然功能更強(qiáng)大些，但它配置方式太復(fù)雜了，所以對(duì)于日常使用，我更推薦功能足夠但配置非常簡(jiǎn)單的systemd-boot。

而且systemd-boot是被集成到了systemd里的，也就是說(shuō)，只要你機(jī)器上裝了systemd，systemd-boot也就自動(dòng)裝好了，是可以直接使用的。

因?yàn)楝F(xiàn)在主流的linux發(fā)行版都使用systemd作為init程序，所以默認(rèn)情況下，systemd都是已經(jīng)安裝了的，所以systemd-boot也是已經(jīng)安裝了的。

另外說(shuō)一句，systemd真的是一個(gè)大而全的重型武器，非常好用。

鑒于systemd-boot的各種優(yōu)點(diǎn)，本文就以systemd-boot作為boot loader，來(lái)講解啟動(dòng)流程。

systemd-boot作為一個(gè)boot
    loader，是要被uefi啟動(dòng)的，所以它也是以PE32+文件格式存儲(chǔ)的，即它也是一個(gè)uefi應(yīng)用程序。

不過(guò)對(duì)于uefi的boot
    manager來(lái)說(shuō)，它并不管它要啟動(dòng)的應(yīng)用程序是什么，它只要求被啟動(dòng)的應(yīng)用程序，是一個(gè)符合uefi規(guī)范的應(yīng)用程序就好。

下面我們來(lái)講下，uefi中boot manager的執(zhí)行邏輯。

在uefi空間里面，除了有uefi固件代碼，還有很多的uefi變量。

每一個(gè)uefi變量就是一個(gè)類似于硬盤(pán)的存儲(chǔ)單元，即在斷電之后，變量里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

uefi規(guī)范里面定義了 很多用于各種用途的變量。

其中有一個(gè)變量，就是和啟動(dòng)相關(guān)的，它就是BootOrder。

BootOrder變量里存儲(chǔ)的，是一個(gè)可執(zhí)行的uefi程序列表。

uefi的boot
    manager在運(yùn)行期間，就是從BootOrder里獲取這些uefi程序，然后根據(jù)這些程序在BootOrder里的位置，依次嘗試執(zhí)行它們，直到有一個(gè)成功。

這其實(shí)就是uefi boot manager的主體邏輯。

另外要注意，BootOrder變量里并不是直接存儲(chǔ)各uefi程序的文件路徑的，它存儲(chǔ)的，其實(shí)是一些以Boot作為前綴的uefi變量名。

就像文章最開(kāi)始那張圖里展示的，BootOrder變量里存儲(chǔ)的其實(shí)是 Boot0004, Boot0003, Boot001B, Boot0017
    等uefi變量。

而這些以Boot作為前綴的uefi變量，它們里面才存儲(chǔ)了要執(zhí)行的uefi程序的文件路徑。

又比如文章最開(kāi)始那張圖里展示的，Boot0004變量里存儲(chǔ)的uefi應(yīng)用程序所在路徑為
    /boot/EFI/systemd/systemd-bootx64.efi，它指向的其實(shí)就是 systemd-boot。

uefi的boot manager在從BootOrder變量里挑選出一個(gè)合適的uefi程序后，它就會(huì)使用 EFI_BOOT_SERVICES.LoadImage() 函數(shù)，將這個(gè)uefi程序加載到內(nèi)存， 然后再使用 EFI_BOOT_SERVICES.StartImage() 函數(shù)，啟動(dòng)這個(gè)uefi程序。

如果這兩步都沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)誤，說(shuō)明這個(gè)uefi程序啟動(dòng)成功。

此時(shí)，控制流就會(huì)跳轉(zhuǎn)到這個(gè)uefi程序的入口函數(shù)，然后開(kāi)始執(zhí)行這個(gè)uefi程序里面的相關(guān)代碼。

至此，uefi中boot manager的生命周期也就結(jié)束了。

最后，我們?cè)賮?lái)實(shí)際查看下真實(shí)機(jī)器上的這些uefi變量。

我們可以使用 efibootmgr 命令，來(lái)查看所有和啟動(dòng)相關(guān)的uefi變量：




當(dāng)然，我們也可以使用這個(gè)命令，來(lái)添加/修改/刪除這些uefi變量，其實(shí)就是在修改uefi boot
    manager的啟動(dòng)邏輯。

另外，我們還可以通過(guò) efivar 命令，來(lái)查看或修改所有的uefi變量：




因?yàn)闄C(jī)器上uefi變量非常多，所以這里只展示了前20條，大家如果有興趣的話，可以在自己機(jī)器上試一下。

最后再說(shuō)一下，uefi boot manager選擇要執(zhí)行的uefi程序這一步，用戶是可以介入的。

我們?cè)陔娔X開(kāi)機(jī)后，先進(jìn)入到uefi的配置界面：




然后在這里，就可以選擇你想要執(zhí)行的uefi程序。

比如上圖中的第三項(xiàng)，就是啟動(dòng)usb里的uefi程序。

我們一般用usb安裝操作系統(tǒng)時(shí)，就是通過(guò)這種方式，來(lái)讓uefi啟動(dòng)usb里的iso鏡像文件的。

0x03 從boot loader到linux內(nèi)核
上文說(shuō)過(guò)，boot loader我們選擇的是systemd-boot。

因?yàn)閟ystemd-boot是有 源碼 的，所以了解它內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制也相對(duì)較容易些。

systemd-boot作為uefi應(yīng)用程序的入口函數(shù)是 efi_main。

在它的內(nèi)部，主要做了以下幾件事，接下來(lái)我們就根據(jù)文章最開(kāi)始的全景圖來(lái)對(duì)照講解。

它先從 /boot/loader/entries/ 目錄里加載所有以 .conf 結(jié)尾的文件，每個(gè)文件是一個(gè)啟動(dòng)項(xiàng)。

然后再?gòu)?/boot/loader/loader.conf 全局配置里，找到默認(rèn)啟動(dòng)項(xiàng)。

看全景圖，/boot/loader/loader.conf 文件里配置的默認(rèn)啟動(dòng)項(xiàng)是 nixos-generation-292.conf。

其實(shí)在這一步之后，systemd-boot還會(huì)顯示一個(gè)菜單，讓用戶可以選擇其他啟動(dòng)項(xiàng)。

但因?yàn)檫@一過(guò)程并不影響對(duì)systemd-boot啟動(dòng)流程的理解，所以就不詳細(xì)講了。

systemd-boot在獲得了一個(gè)啟動(dòng)項(xiàng)之后，就開(kāi)始嘗試運(yùn)行該啟動(dòng)項(xiàng)里配置的linux內(nèi)核。

但在此之前，它還要做一些準(zhǔn)備工作。

比如，它會(huì)先把在啟動(dòng)項(xiàng) nixos-generation-292.conf
    里配置的initrd文件加載到內(nèi)存，然后再把內(nèi)存里的initrd數(shù)據(jù)綁定到uefi空間的一個(gè)固定設(shè)備路徑上。

這樣后續(xù)內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)，就可以通過(guò)這個(gè)uefi設(shè)備路徑，找到對(duì)應(yīng)的initrd。

initrd是一個(gè)打包文件，linux內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)，會(huì)把它解壓到內(nèi)存根文件系統(tǒng)里的根目錄下。

然后，等linux內(nèi)核都初始化完畢之后，內(nèi)核就會(huì)開(kāi)始嘗試執(zhí)行內(nèi)存根目錄下的init程序。

這個(gè)init程序其實(shí)還不是我們經(jīng)常說(shuō)的，真正意義上的init程序。

它只是linux內(nèi)核執(zhí)行的第一個(gè)用戶程序。

該init程序的作用，就是找到并掛載真正的根文件系統(tǒng)，這個(gè)一般是在硬盤(pán)上，然后再把控制權(quán)限轉(zhuǎn)交給真正根文件系統(tǒng)下的init程序。

第一個(gè)init程序，也就是initrd里的init程序，一般是shell腳本，當(dāng)然也可以是systemd。

第二個(gè)init程序，也就是真正根文件系統(tǒng)下的init程序，一般是systemd。

至于init程序?yàn)槭裁匆�分成兩個(gè)，在這里我們就不展開(kāi)講了，等后面講linux內(nèi)核啟動(dòng)流程時(shí)，再詳細(xì)講。

我們?cè)倩氐絪ystemd-boot的啟動(dòng)流程。

在加載完并初始化好initrd之后，systemd-boot就會(huì)使用uefi里的 EFI_BOOT_SERVICES.LoadImage() 函數(shù)，將啟動(dòng)項(xiàng) nixos-generation-292.conf 里配置的linux內(nèi)核加載到內(nèi)存。

然后再將啟動(dòng)項(xiàng) nixos-generation-292.conf
    里配置的內(nèi)核參數(shù)，賦值到剛加載的內(nèi)核鏡像的對(duì)應(yīng)字段上，這樣內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)，就可以通過(guò)某些uefi函數(shù)，來(lái)獲取這些內(nèi)核參數(shù)了。

最后，systemd-boot再使用uefi里的 EFI_BOOT_SERVICES.StartImage() 函數(shù)，啟動(dòng)這個(gè)內(nèi)核鏡像。

至此，控制流就會(huì)跳轉(zhuǎn)到linux內(nèi)核作為uefi應(yīng)用的入口函數(shù)，systemd-boot的生命周期也就結(jié)束了。

從上文我們可以看到，systemd-boot的啟動(dòng)流程和uefi的啟動(dòng)流程是很類似的，它們都是使用uefi中boot
    services里的 LoadImage 和 StartImage 函數(shù)，來(lái)加載并啟動(dòng)uefi應(yīng)用程序的。

由此我們可以得知，systemd-boot不僅可以用來(lái)啟動(dòng)linux內(nèi)核，還可以用來(lái)啟動(dòng)任意的uefi應(yīng)用程序。

這也是為什么systemd-boot的官方文檔，把它稱為uefi boot manager，而非 boot loader 的原因。

不過(guò)我們主要是用systemd-boot加載linux內(nèi)核，所以為了便于大家理解，我們還是稱之為 boot loader。

另外我們還可以看到，使用uefi直接啟動(dòng)linux內(nèi)核，和使用systemd-boot間接啟動(dòng)內(nèi)核，它們之間是沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別的，最終控制流都會(huì)跳轉(zhuǎn)到linux內(nèi)核作為uefi應(yīng)用的入口函數(shù)，然后開(kāi)始執(zhí)行l(wèi)inux內(nèi)核的相關(guān)代碼。

至于linux內(nèi)核作為uefi應(yīng)用的入口函數(shù)是什么，這個(gè)我們?cè)趌inux內(nèi)核啟動(dòng)流程里再講。

0x04 樹(shù)形圖
因?yàn)閺拈_(kāi)機(jī)到第一行內(nèi)核代碼執(zhí)行這一過(guò)程，也算是linux內(nèi)核啟動(dòng)流程的一部分，所以這篇文章中講的各個(gè)步驟，在 linux內(nèi)核啟動(dòng)流程樹(shù)形圖 里也都有展示，大家可以前往看下。

end

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