CentOS系統啟動流程你懂否

一、Linux內核的組成

相關概念：

   Linux系統的組成部分：內核+根文件系統

   內核：進程管理、內存管理、網絡協議棧、文件系統、驅動程序。

   IPC(Inter-Process Communication進程間通信):就是指多個進程之間相互通信，交換信息的方法。Linux IPC基本上都是從Unix平臺上繼承而來的。主要包括最初的Unix IPC，System V IPC以及基于Socket的IPC。另外，Linux也支持POSIX IPC。

   運行中的系統環境可分為兩層：內核空間、用戶空間；

      內核空間：內核代碼（系統調用）

      用戶空間：應用程序（進程或線程）

   內核設計流派：

      單內核設計：把所有的功能集成于同一個程序；（Linux）

      微內核設計：每種功能都使用一個單獨的子系統實現；（Windows solarls）

   Linux內核特點：

     （1）支持模塊化：.KO（kernel object）

     （2）支持模塊運動時動態裝載或卸載

   組成部分：

      核心文件：/boot/Vmliuz-VERSION-release      

 ramdirk:

    CentOS5:/boot/initrd-VERSION-release.img

    CentOS6,7:/boot/initramfs-VERSION-release.img

二、CentOS系統啟動流程

總體啟動順序：

POST(加點自檢)-->Boot Sequence(BIOS:基本輸入輸出系統)-->Boot Loader(MBR:主引導記錄)-->Kernel(ramdisk)-->rootfs(根文件系統)-->switchchroot-->/sbin/init/(/etc/inittab /etc/init/*.conf)-->設定運行級別-->系統初始化腳本-->關閉啟動相應服務-->啟動終端 

總流程圖：

各流程細化說明： 

1、POST加電自檢  

主要是檢測硬件設別是否能正常的運行，然而實現自檢功能主要是由鑲嵌在主板芯片(CMOS)上的BIOS(basic input output system)程序，檢測沒問題之后進行硬件設備的初始化。   

2、Boot Sequence(啟動管理程序):選擇啟動順序加載MBR

Boot Sequence是一個程序，它依賴于某個硬盤硬件，準確的說是第一個硬盤扇區的MBR，從而按次序查找各引導設備。

3、MBR引導，bootloader引導加載器，啟動程序   

MBR(Master Boot Record)：此記錄在0磁道1扇區，總共為512字節，前446字節為bootloder，后64字節為分區表信息，主分區加上擴展分區不能大于四個，最后2個字節為校驗信息，為55AA。提供一個菜單，允許用戶選擇要啟動的系統或不同的內核版本；把用戶選定的內核裝載到RAM中的特定空間中，解壓、展開，而后把系統控制權移交給內核。

4、kernel內核實現  

kernel自身初始化，實現功能，借助ramdisk探測可識別的程序，以自讀方式掛載根文件系統，運行應用程序：/sbin/init

5、/sbin/init/管理用戶空間服務進程     

設定運行級別，進行初始化腳本，關閉或啟動相應的程序，啟動終端。  

GRUB（GRand Unified Bootloader）加載內核，就是MBR中的前 446 個字節，是BooTLoader的一種，它的作用是要選擇要啟動的內核。  

GRUB相關說明： 

演示：

………………………………………………………………………………………………………………………

主要是由device.map，menulst，stage1,stage2,以及一系列的stage1_5組成。

device.map：存放的是內核文件的根分區

menu.lis：為菜單列表，里面為可選擇的菜單列表，存放于stage2中。

stage：用于grub引導程序過大，所以分2段引導，第一段存放在MBR中，第二段存放于內核文件系統中，第一段引導完成后可以找到第二段。 但是，第二段是存放于內核文件系統中的，此時還沒有格式化文件系統，如何可以訪問到第二段的menu.lst，就需要借助于中間層 stage1_5，有它來協助 stage1 段來訪問stage2階段。stage1_5通常位于stage1 字段后的 63 個扇區。 由于stage2 在內存中存放可以使用的文件系統不確定，所以這就是有多個stage1_5 的原因。

Grub Legacy：分三階段

stage1：存放在MBR上

stage1_5：存放在MBR之后的扇區，讓stage1中的bootloader能識別stage2所在的分區上的文件系統；

stage2：磁盤分區（/boot/grub/）

   引導加載程序先讀取MBR上的gurb第一階段，由于MBR很小只有512字節采用grub這種方式引導程序，隨后讀取扇區中的stage1.5階段，讀取1.5階段以后從而就能驅動第二階段stage2所在的磁盤分區，stage2是存放在磁盤分區上的還包括了內核文件及ramdisk等都在這個分區上存放的；這就是為什么通過Bootloader之grub就能夠加載內核文件的原因。

  注意：當前硬件平臺，主板BIOS必須能識別硬盤，然后BIOS才能加載硬盤中的Bootloader，磁盤中的Bootloader自身加載完以后，就能夠識別當前主機上的硬盤設備了。

但硬盤設備能識別，并不代表硬盤上的文件系統能識別，因為文件系統是額外附加的一層軟件組織的文件結構，所以要能夠對接一種文件系統，必須要用到文件系統驅動；對應的應用程序必須能識別和理解這樣的文件系統才可以，這種程序就稱為文件系統驅動；grub的1.5階段就是給gurb提供了文件系統驅動的，從而就能夠訪問對應的第二階段和內核所在的分區了，這通常是一個基本磁盤分區；所以grub第二階段以及內核和ramdisk文件通常都會放在一個基本磁盤分區上；因為grub驅動不了邏輯卷這種高級接口。

 stage2一般是掛載至/boot/grub/目錄下；grub也有自己的配置文件：/boot/grub/grub.conf且通常有個符號鏈接文件：/etc/grub.conf；

 stage2的功用：

 （1）提供菜單或交互式接口；

 （2）能加載用戶選擇的內核或操作系統；

 （3）為菜單通過了保護機制。

/boot/grub/grub.conf配置文件詳解：

[root@centos6 grub]# ll /etc/grub.conf #/etc/grub.conf /boot/grub/grub.conf為連接文件
lrwxrwxrwx. 1 root root 22 8月  11 03:29 /etc/grub.conf -> ../boot/grub/grub.conf
[root@centos6 grub]# cat /boot/grub/grub.conf
# grub.conf generated by anaconda
#
# Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file
# NOTICE:  You have a /boot partition.  This means that
#          all kernel and initrd paths are relative to /boot/, eg.
#          root (hd0,0)
#          kernel /vmlinuz-version ro root=/dev/sda2
#          initrd /initrd-[generic-]version.img
#boot=/dev/sda
default=0 #設定默認啟動菜單項，默認為0開始
timeout=5 #指定菜單等待選擇的時長 
splashp_w_picpath=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz #指定菜單的背景圖片的路徑，為xpm格式，采用gzip壓縮
hiddenmenu #是否影藏菜單
password [--md5] $1$JO0kw$z.qtBMH.KL4A6qZ7dK4N30 #菜單編輯認證
title CentOS 6 (2.6.32-642.el6.x86_64) #定義菜單項
root (hd0,0) #本次grub查找stage2及其kernel文件所在設備分區，指定grub的根
kernel /vmlinuz-2.6.32-642.el6.x86_64 ro root=UUID=240533cf-b37f-4460-974f-702bab867da5 nomodeset rd_NO_LUKS  KEYBOARDTYPE=pc KEYTABLE=us rd_NO_MD crashkernel=auto LANG=zh_CN.UTF-8 rd_NO_LVM rd_NO_DM rhgb quiet #需要啟動的內核 
initrd /initramfs-2.6.32-642.el6.x86_64.img #內核匹配的ramfs文件 
password [--md5] STRING #啟動內核選定的內核或操作系統是進行的認證 
[root@centos6 grub]#

進入單用戶模式： 

1）編輯grub菜單，選定要編輯的title，而后使用e命令  

2）在選定的kernel后附加1 ，s 或single  

3）在kernel所在的行，鍵入b鍵      

演示：

啟動時按e鍵：

上下選擇到kernel后按e編輯輸入1或s、S、single,再次按b鍵重啟

6、根切換

  在掛載根文件系統時為了避免內核中有bug或操作過程中有bug導致根文件系統被損壞，先只讀掛載根文件系統，加載完成后才讀寫掛載，完成整個掛載根文件系統后，直接去找/sbin/init程序，即開始運行用戶空間的第一個程序。

用戶空間啟動流程

7、/sbin/init程序

  init程序主要依賴于配置文件：/etc/inittab，大體分為：設定默認啟動級別 --> 設定系統初始化腳本 --> 啟動對應級別的服務 --> 打印各終端登錄界面（如果級別為3處理提供文本登錄界面，如果級別為5還提供圖形登錄界面）

8、設置默認運行級別

  （1）運行級別：為了系統的運行或維護等目的而設定的機制；

    0-6：共7個級別；

     0：關機，shutdown

     1：單用戶模式（single user），root用戶，無須認證，維護模式；

     2：多用戶模式（multi user），會啟動網絡功能，但不會啟動NFS，維護模式；

     3：多用戶模式（multi user），完全功能模式，文本界面；

     4：預留級別：目前無特別使用目的，但習慣以同3級別功能使用；

     5：多用戶模式（multi user），完全功能模式，圖形界面；

     6：重啟，reboot

圖示：

讀取配置文件:/etc/inittab

  （2）配置文件：/etc/inittab定義了很多功能，每一行定義一種操作（action）以及與之對應的process（僅適用于CentOS 5），一行就定義了init要執行的任務，甚至是一堆任務，每一行的語法格式為：                                                             id:runlevels:action:process

  id為一個任務的標識符；

  runlevels：在哪些運行級別下啟動此任務；例：3，2345，也可為空表示所有級別；

  action：在什么條件下啟動此任務；

    wait：等待切換至此任務所在的級別時執行一次（剛剛切換進來時）；

    respawn：一旦此任務終止時，就自動重啟；（如：登錄終端執行logout登出后會再次啟動）

    initdefault：設定默認允許級別；此時process省略為空；

    sysinit：設定系統初始化方式，此處一般為指定/etc/rc.d/rc.sysinit腳本；（CentOS 5,6都用到此腳本，CentOS 7是靠systemd完成的），在CentOS 6中僅保留此配置文件中設定啟動運行級別的功能。

    process：具體任務；通常為應用程序，或腳本，或二進制的程序，取決于自定義。

演示：

9、系統初始化腳本

系統初始化腳本：/etc/rc.d/rc.sysinit

（1）設置主機名；

（2）設置歡迎信息；

（3）激活udev和selinux；

（4）掛載/etc/fstab文件中定義的所有文件系統；

（5）檢測根文件系統，并以讀寫方式重新掛載根文件系統；（重新掛載是指根文件檢測完之后）

（6）設置系統時鐘；

（7）根據/etc/sysctl.conf文件來設置內核參數；

（8）激活lvm即軟raid設備；

（9）激活swap設備；

（10）加載額外設備的驅動程序；（內核加載驅動只加載根文件系統的）

（11）清理操作；

注意：在init配置文件：/etc/inittab中，有一行內容是定義/etc/rc.d/rc.sysinit，此腳本文件是負責完成系統初始化的腳本文件。

10、關閉/啟動對應級別下的服務

  腳本文件/etc/rc.d/rc作用為當級別切換時啟動或停止服務；此腳本接受傳遞的參數給腳本中$runlevel變量，然后，讀取/etc/rc$runlevel.d/K*和/etc/rc$runlevel.d/S*所有文件，這些文件就是為什么開機啟動后，有些服務會自動啟動，有些服務沒有啟動的原因。

K*：要停止的服務，K##*，優先級，數字越小，越優先關閉，依賴的服務先關閉，然后再關閉被依賴的。

S*：要啟動的服務，S##*，優先級，數字越小，越是優先啟動，被依賴的服務先啟動，而依賴的服務后啟動。

/etc/rc.d/init.d目錄還有個鏈接目錄為/etc/init.d目錄，這兩目錄下文件相同。

如上訴定義將會啟動3級別下的以S打頭的進程：

圖示：

11、啟動終端（圖形終端）

 操作系統啟動完成

三、系統啟動流程總結。

內核級別：

1.POST做開機啟動時候的硬件檢測功能

2.BootSequence(BIOS)啟動加載主引導分區MBR中的引導加載器程序BootLoader

   在LInux現行的BootLoader是三段劃分(打破446字節限制)的GRUB程序，

    第1段寫在BootLoader中

    第1.5段在其后扇區用于文件系統的引導

    第2段在boot/grub中提供內部接口和調用系統內核kernel

3.Kernel識別硬件、加載驅動、只讀掛載根文件系統、同時交付給用戶空間第一個程序/sbin/init

此處特別要注意，系統發行商為了適應多種硬件接口驅動調用，會在第一次安裝系統時候，自動識別硬件接口，并調用唯一驅動程序來生成ramdisk文件，以內存當磁盤做虛根，驅動接口后會切換到真實的根文件系統上

CentOS 5系列是initrd，當磁盤映像文件會造成二次緩存緩沖

CentOS 6/7系列改進為initramfs，以文件系統形式可以不二次占用緩存和緩沖

用戶空間級別

4./sbin/init接管后更具其配置文件來初始化

5.根據/sbin/init中的配置會設置默認運行級別，以及一些在/etc/init.d/設置的開機服務

6./etc/rc.d/rc.sysinit運行系統初始化腳本，完成系統初始化

7.關閉對應級別下需要停止的服務，啟動對應級別下需要開啟的服務

8.設置登錄終端

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