徐长伟
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Linux【NO.7】:系统启动流程

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必备知识点

Linux系统的组成部分

动态视角：内核+根文件系统
功能组成结构视角：硬件、内核（管理整个硬件功能）、库(库调用：libcall)、程序(特别的接口程序shell)

内核：进程管理、内存管理、网络协议栈、文件系统、驱动程序、安全功能
    IPC：Inter Process Communication进程通信

运行中的系统环境可分为两层

  • 用户空间：应用程序(进程或线程)
  • 内核空间：内核代码(系统调用)

内核设计流派

  • 单内核设计：把所有功能集成于同一个程序；Linux
  • 微内核设计：每种功能使用一个单独的子系统实现；Windows,Solaris

Linux内核特点

  • 支撑模块化：内核文件：.ko(kernel object)
  • 支持模块运行时动态装载或卸载；
站在编译好的视角看，其组成部分：
    核心文件：/boot/vmlinuz-VERSION-release
    模块文件：/lib/modules/VSERSION-release
        如果有内核有多个版本，则其下有多个目录

ramdisk:
用于实现系统初始化的基于内存的磁盘设备ramdisk

ramdisk:
用于实现系统初始化的基于内存的磁盘设备ramdisk
    为什么需要：操作系统启动时，需要把ramdisk装载到内存中，而后根把它当作一个磁盘来使用，从而识别成根文件系统，其lib/modules目录下有当前真正的根设备的驱动程序，借助于ramdisk从而把真正的根挂载上，挂载上之后ramdisk把所有权利交给真正的根；
        ramdisk非必须的：取决于系统从何而来，内核是如何制作的，是为了面对多种需求还是只是当前需求的；
CentOS 5 : /boot/initrd-VERSION-release.img #基于ram的磁盘； 磁盘印象文件
CentOS 6,7 : /boot/initramfs-VERSION-release.img #基于ram的文件系统
    内存的数据本来就应该在内存中，磁盘上的设备虽然有buffer和cache，但太慢了，所以要把磁盘中很多数据临时加载到内存中供访问；
    但本来基于内存的磁盘设备ramdisk就是内存，就没有必须要再缓存一次，
        为了避免双缓冲双缓存的：从而使得其到达提速的目的；
ramdisk
演示：
[root@centos7 ~]# uname  -r
3.10.0-229.el7.x86_64
            
[root@centos7 ~]# ls /boot/ #内核文件
config-3.10.0-229.el7.x86_64
grub
grub2
initramfs-0-rescue-0e6e23af771842c8bf3aeb3ae70b2a33.img
initramfs-3.10.0-229.el7.x86_64.img          #ramdisk临时根
initramfs-3.10.0-229.el7.x86_64kdump.img
initrd-plymouth.img
symvers-3.10.0-229.el7.x86_64.gz
System.map-3.10.0-229.el7.x86_64
vmlinuz-0-rescue-0e6e23af771842c8bf3aeb3ae70b2a33
vmlinuz-3.10.0-229.el7.x86_64  #核心文件

[root@centos7 ~]# ls /lib/modules  #模块文件在/lib/modules下
3.10.0-229.el7.x86_64
[root@centos7 ~]# ls /lib/modules/3.10.0-229.el7.x86_64/kernel/
arch  crypto  drivers  fs  kernel  lib  mm  net  sound
arch       与平台相关的特有代码
crypto     加密解密组件
drivers    驱动
fs         文件系统
kernel     内核追踪用到的组件
lib
mm         内存管理功能
net        网络功能
sound      跟声音相关的驱动程序、解码器等

[root@centos7 ~]# ls /lib/modules/3.10.0-229.el7.x86_64/kernel/kernel/ 内核追踪用到的组件
trace
[root@centos7 ~]# ls /lib/modules/3.10.0-229.el7.x86_64/kernel/fs/ 文件系统
binfmt_misc.ko  ceph    dlm    fat      gfs2   lockd       nfs_common  overlayfs  udf
btrfs           cifs    exofs  fscache  isofs  mbcache.ko  nfsd        pstore     xfs
cachefiles      cramfs  ext4   fuse     jbd2   nfs         nls         squashfs
演示：内核文件、模块文件

 

系统启动流程

上图先：

以下只适合PC机的MBR架构的设计

(1)、POST(Power On Self Test)开机加电自检

通电后，自动查看硬件设备在不在

实现POST代码在主板的ROM上；如果没有外部辅助手段框定，ROM上的代码是没法修改的；

　　ROM : CMOS   

　　CMOS中有BIOS : Basic Input and Output System基本输入输出系统

可被CPU加载的：ROM+RAM

(2)、Boot Sequence : 引导过程

按次序查找个引导设备，第一个有引导程序(bootloader)的设备即为本地启动要用到的设备；

bios设定：开机F2(虚拟机)

(3)、bootloader ：引导程序，引导加载器

  • Windows : ntloader
  • Linux : LILO、GRUB 
LILO : LIinux LOader，缺点：内核或者加载系统位于128柱面后分区上将无法加载；android手机常用；
GRUB ：GRand Uniform Bootloader 多重操作系统启动管理器
    两个版本：
        GRUB 0.X : Grub Legacy 传统版
        GRUB 1.X ： Grub2，CentOS 7

 

功能： 提供一个菜单，允许用户选择要启动的系统或不同的内核版本；把用户选定的内核装载到RAM中的特定空间中，解压、展开，而后把系统的控制权移交给内核；

MBR：Mater Boot Record
　　硬盘最前面的扇区：512bytes
　　446bytes: bootloader
　　64bytes: 分区表
　　2bytes：55AA，非55AA表示其无效

GRUB：
　　446bytes对于GRUB来说要实现显示图片、菜单等功能太小了；

  • stage1：mbr的bootloader中，它的存在是为了引导stage2
  • stage1.5：filesystem dirver，mbr之后的扇区，让stage1中的bootleader能识别stage2所在的分区上的文件系统；
  • stage2: 磁盘分区上 /boot/grub目录

bootloader最主要的目的是提供菜单，把内核加载到RAM中去；
　　1、grub第一步的bootloader是装载第二阶段，将其加载到内存中并提供一个操作系统启动之前的一个操作系统，这个程序不受MBR的限制；
　　2、由第二阶段提供一个背景图、菜单、交互接口
　　3、当我们选定操作系统后由第二阶段加载内核文件；

注意：UEFI,GPT 专门为了取代MBR的

UEFI，全称Unified Extensible Firmware Interface，即“统一的可扩展固件接口
    是适用于电脑的标准固件接口，旨在代替BIOS
    功能：图形化界面、多种多样的操作方式、允许植入硬件驱动等；
    特点：
        1、通过保护预启动或预引导进程，抵御bootkit攻击，从而提高安全性。
        2、缩短了启动时间和从休眠状态恢复的时间。
        3、支持容量超过2.2 TB的驱动器。
        4、支持64位的现代固件设备驱动程序，系统在启动过程中可以使用它们来对超过172亿GB的内存进行寻址。
        5、UEFI硬件可与BIOS结合使用。

    BIOS和UEFI的区别：
        UEFI已具备文件系统的支持，它能够直接读取FAT分区中的文件

        可开发出直接在UEFI下运行的应用程序，这类程序文件通常以efi结尾
        只要复制安装文件到一个FAT32（主）分区/U盘中，然后从这个分区/U盘启动，安装Windows

    GPT
        GPT格式的磁盘相当于原来MBR磁盘中原来保留4个 partition table的4*16个字节只留第一个16个字节，其它的类似于扩展分区，真正的partition table在512字节之后，所以对GPT磁盘表来讲没有四个主分区的限制；使用功能强大的parted命令
UEFI,GPT简介

(4)、kernel

自身初始化：其后续部分交给用户空间

  • 1、探测可识别到的所有硬件设备；
  • 2、加载硬件驱动程序；(如果硬件加载不了，有可能会借助于ramdisk加载驱动)
  • 3、以只读方式挂载文件系统；
  • 4、运行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init
init程序的类型：
    CentOS 5-：SysV init
        配置文件：/etc/inittab

    CentOS 6：Upstart 支持并发
        配置文件：/etc/inittab
            /etc/init/*.conf #主要用到这里的配置

    CentOS 7：Systemd
        配置文件：/usr/lib/systemd/system/,/etc/systemd/system

ramdisk:

Linux内核的特性之一：使用缓冲和缓存加速对磁盘上的文件的访问；

ramdisk --> ramfs  一旦ramdisk是文件系统就没必要缓冲了；
　　CentOS 6 上之所以不用ramdisk的原因是：ramdisk会将内存伪装成硬盘，当系统启动后再次用到ramdisk上的驱动时，它仍会再将其加载一次到内存中，但是它本身就位于内存中，如此会浪费资源时间，在CentOS 7上升级为ramfs，这样他就表现为文件系统了，就不用再一次加载到内存了

CentOS 5：initrdd
　　工具程序：mkinitrd
CentOS 7：initramfs
　　工具程序：dracut,mkinitrd

系统初始化流程(内核级别)： POST --> BootSequence(BIOS) --> bootloader(MBR) --> kernel（ramdisk） -->  rootfs（ readonly） --> /sbin/init()

由于MBR的限制kernel只能放在基本文件分区上

(5)、/sbin/init

首先理解，运行级别概念:
    为了系统的运行或维护等目的而设定的机制；
    0-6：7个级别；
        0：关机；shutdown
        1：单用户模式(single user),root用户，无须认证；维护模式；
        2：多用户模式(multi user)，会启动网络功能，但不会启动NFS;维护模式；
        3：多用户模式(mutil user),完全功能模式；文本界面；
        4：预留级别；目前无特别使用目的，但习惯以同3级别功能使用；
        5：多用户模式(multi user),完全功能模式，图形界面；
        6:重启模式，reboot

    默认级别：3,5

    级别切换：init #

    级别查看：
        who -r
        runlevel
演示：
[root@centos7 ~]# who -r
         运行级别 3 2015-12-28 08:30
[root@centos7 ~]# runlevel 
N 3 #上一次级别 和 当前级别

配置文件决定系统初始化做什么：/etc/inittab

每行定义一种action以及与之对应的process（CentOS 5）
    id:runlevels:action:process
        id：一个任务的标识符；
        runlevels：在那些级别启动此任务；#,###,也可以是空，表示所有级别；
        action：在什么条件下启动此任务；
        process：具体的任务；

    action:
        wait：等待切换此任务所在的级别时执行一次；
        respawn：一旦此任务终止时，就自动重新启动之；
        initdefault：设定默认运行级别；此时，process省略；
        sysinit：设定系统初始化方式，此处一般为指定/etc/rc.d/rc.sysinit脚本；

    例如：
        id:3:initdefault:
        si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit   #所有级别运行系统初始化

        IO:0:wait:/etc/rc.d/rc 0    #切换至0级别，运行脚本rc，参数0,关机
        I1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
        ......
        I6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6
            意味着去启动或关闭/etc/rc.d/rc3.d/目录下的服务脚本所控制的服务；
                K*：kill 要停止的服务； K##*，优先级，数字越小越关闭；依赖的服务先关闭，而后关闭被依赖的；
                S*：start 要启动的服务；S##*,优先级，数字越小，越是优先启动；被依赖的服务先启动，而依赖的服务后启动；

            rc脚本：接受一个运行级别数字为参数；

                脚本框架：
                    for srv in /etc/rc.d/rc#.d/K*;do
                        $srv stop
                    done

                    for srv in /etc/rc.d/rc#.d/S*;do
                        $srv start
                    done                                

                /etc/init.d/*(/etc/rc.d/init.d/*)脚本执行方式：
                    #/etc/init.d/SRV_SCRIPT {start|stop|restart|status}
                    #service SRV_SCRIPT {start|stop|restart|status}

chkcofig命令

chkcofig命令：管控/etc/init.d/每个服务脚本在各级别下的启动或关闭状态；
    查看：chkconfig --list [name]

    添加：chkconfig --add name
        能被添加的服务的脚本定义格式之一：
            #!/bin/bash
            #
            # chkconfig： LLL NN NN
            # description: XXXXXX
        LLL：级别，如果是-  代表默认关闭
    删除：chkconfig --del name
    修改指定的链接类型：
        chkconfig [--level LEVELS] name <on|off|reset>
            --level LEVELS: 指定要控制的级别；默认为2345；
注意：正常级别下，最后启动的一个服务S99local没有链接至/etc/init.d/下的某个脚本，
而死后链接至了/etc/rc.d/rc.local(/etc/rc.local)脚本；
因此，不便或者不需为服务脚本的程序期望能开机自动启动运行时，直接放置于此脚本文件中即可。


tty1:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty1  #启动虚拟终端1；
... ...
tty6:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty6    

（1）mingetty会调用login程序；
（2）打开虚拟终端的程序除了mingetty之外，还有诸如getty等；

系统初始化脚本：/etc/rc.d/rc.sysinit

(1) 设置主机名；
(2) 打开欢迎信息；
(3) 激活udev和selinux
(4) 挂载/etc/fstab文件中定义的所有文件系统；
(5) 检测根文件系统，并以读写方式重新挂载根文件系统；
(6) 设置系统时钟；
(7) 根据/etc/sysctl.conf文件的设置，来设置内核参数；
(8) 激活lvm 及软raid设备；
(9) 激活swap设备；
(10) 加载额外设备的驱动程序；
(11) 清理操作；

总结（用户空间的启动流程）： /sbin/init (/etc/inittab)
设置默认运行级别 --> 运行系统初始化脚本，完成系统初始化 --> 关闭对应级别下需要停止的服务，启动对应级别下需要开启的服务--> 设置登录终端 [--> 启动图形终端]

 

CentOS 6

init程序：项目名upstart，但依然为/sbin/init，其配置文件：
    /etc/init/*.conf, /etc/inittab（仅用于定义默认运行级别）
    
        注意：*.conf为upstart风格的配置文件；
            
        rcS.conf
        rc.conf
        start-ttys.conf


CentOS 7：

init程序： systemd,配置文件：/usr/lib/systemd/system/*,/etc/systemd/system/*

完全兼容SysV脚本机制；因此，service命令依然可用；不过，建议使用systemctl命令控制服务；

    # systemctl {start|stop|restart|status} name[.service] 

演示：			
[root@centos7 ~]# systemctl get-default  #获取默认运行级别
multi-user.target
[root@centos7 ~]# service crond  restart  #启动服务兼容SysV脚本机制
Redirecting to /bin/systemctl restart  crond.service
[root@centos7 ~]# systemctl restart  crond.service

　

启动流程：

POST --> BootSequence(BIOS) --> Bootloader (MBR) --> kernel (ramdisk) --> rootfs (switch_root) --> /sbin/init (/etc/inittab, /etc/init/*.conf, /usr/lib/systemd/system/)--> 默认运行级别、系统初始化、关闭及启动服务、启动终端（图形终端）

 

涉及开机启动的脚本文件：

运行第一个程序/sbin/init。
执行第一个/etc/rc.d/rc.sysinit
执行不同运行级别的脚本程序
执行/etc/rc.d/rc.local脚本程序
执行/bin/login,进入等待用户登录状态

　　

登录接口shell，加载的配置文件：

交互式登录shell进程：
    /etc/profile --> /etc/profile.d/* --> ~/.bash_profile --> ~/.bashrc --> /etc/bashrc
非交互登录shell进程：
    ~/.bashrc --> /etc/bashrc --> /etc/profile.d/*

　　

其他参考：http://s3.51cto.com/wyfs02/M02/22/54/wKioL1Mb-qTBc13RABEw7PlXo9A353.jpg

　　　　   http://liguoqing.blog.51cto.com/327222/1729364

 

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posted on 2016-01-02 19:50  徐长伟  阅读(818)  评论(0)  编辑  收藏  举报

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