centos(linux)启动流程

CentOS系统启动流程——基础知识

Linux系统的组成部分：

除去硬件部分linux系统由，内核+根文件系统组成。内核启动后不是在执行内核代码，就是在执行根文件系统下某个路径中的应用程序的代码（用户代码）。

内核主要功能：

简述

进程管理、内存管理、网络管理、文件系统、驱动程序、安全功能，这些功能就是通过系统调用输出的。

进程管理：

如一个父进程可以fork一个子进程，在必要时还可以将自己的数据复制给子进程一份。在子进程完成任务后还可以将其收回。

内存管理：

如c语言编程是可以使用命令malloc函数申请一段内存，使用完成后通过free来释放内存

文件系统：

如打开，读取，编辑一个文件都是通过系统调用实现的。

Glibc：

现在程序员在写程序的时候虽然需要发起系统调用，但是有些时候在编程时不是通过发起系统调用完成的，而是，调用把系统调用二次封装的离用户更近的库文件实现的。在linux叫做glibc。Glibc是用户空间的内容了，如/usr/lib下的文件。

整个操作系统最核心的是内核、用户空间的应用程序以及必要库文件，其他的都是非必要。如man命令提供的帮助文档。

Lib(库）：

库是函数的集合，一个功能模块，lib有其调用接口。通过函数名调用lib文件。库文件也是一个二进制文件，但是他不能独立运行，只能被调用。

过程调用：

procedure，没有返回值的函数

函数调用：

function，有返回值的函数

头文件：不同函数可接受的参数数量和类型不同，所以说每一个库中有多少个函数，每个函数可接受多少参数，以及每个参数类型都应该有一个文件对其加以描述，这个文件就是头文件。

内核设计流派：

单内核设计：如，Linux

把所有功能集成于同一个程序；每个功能都是在此程序中通过线程实现。这就是linux内核线程。一般来讲效率高，但是可能任何一个程序出现问题会影响整个系统

微内核设计：如，Windows, Solaris 

每种功能使用一个单独子系统实现；一般来讲效率比单内核设计低，但是一个子系统出现问题不会影响整个系统。

Linux内核特点：

微内核设计思想比单内核更前卫，但是linux也借鉴了微内核有点，在内核内部支持模块化。

支持模块化：

linux内核支持将每个功能设计为一个独立的功能模块。格式为*.ko。

支持模块的动态装载和卸载。

动态装卸载的优点：（小、维护）

由于动态装卸载的存在，我们可以仅保留内核最基本和核心的功能，当需要某模块提供的功能时，只需要临时将其装载进内核。这样内核体系就变得非常小了。

我们知道硬件的驱动程序一般都是由内核提供的，如果内核模块不支持模块化的，得来的结果是：任何一个硬件驱动程序想要被使用，必须提前将其编写整合进内核。如果作为一个内核维护者，在没有充分检验情况下将别人开发的驱动整合进内核，万一有，此驱动带有恶意代码可能造成很大危害（例如对方植入病毒等）。造成内核崩溃，操作系统关闭等。而有了模块化后，任何一个厂商都可自行开发模块，作为用户，我们可以自行选择使用那些模块。维护工作也由厂商自己负责，以保证自己模块的安全性。这也是的linux能随时使用更多的硬件设备了

内核组成部分： 

核心文件：

/boot/vmlinuz-VERSION-release 。可以看到内核文件很小，是因为它将很多功能做成了模块

模块文件：

/lib/modules/VERSION-release 。模块文件需要和内核版本严格匹配的。模块文件名就是核心文件的后缀名。*.ko文件就是内核模块

Ramdisk：

Init文件在centos5和6上不同：

Centos5使用的是initrd，即init ram disk

CentOS 5: /boot/initrd-VERSION-release.img ，基于内存的磁盘。

Centos6使用的是init ram file-system

CentOS 6: /boot/initramfs-VERSION-release.img ，基于内存的文件系统。

Ramdisk生成工具

Ramdisk是在安装系统时由工具自动生成的

Centos5使用的是initrd，由mkinitrd

Centos6使用的是initramfs,由dracut

问题二：为什么centos5到6从ramdisk 变成ramfs

　　这要从，“内核中的特性之一：使用缓冲(写)和缓存（读）来加速对磁盘上的文件访问；”说起centos5中使用的是ramdisk是将内存当做磁盘使用，在linux中cpu 认为磁盘的访问速度太慢，为了加速磁盘访问，会将磁盘内容加载至内存，这样会造成这个“磁盘”会再次被加载到内存一次当做缓冲和缓存。两次缓存，使得资源访问变慢。而ramfs是将内存当做了文件系统。文件系统自己就可以管理自己的缓存和缓冲，避免了两次加载。

问题三：内核如何挂载根

　　除去核心文件和模块文件还有第三个文件它是非必要的，但是在很多场景中被用到了他就是ramdisk。例如linux开机后加载内核，由内核去加载根文件系统，但是内核中没有根文件系统驱动（都放在/lib/modules下）。/lib在根文件系统上。这就没法去加载硬件驱动。解决此问题有两种方法： 

1、直接将驱动编译进内核，但是驱动有千万种，都将他们编译进内核，会使内核变得太大。这样显然不合适

2、借助于外在的辅助机制。 将所有驱动硬盘的必要工具全部做成一个文件系统，这个文件系统称为虚拟文件系统。这个根文件系统仅仅包含了驱动硬盘的驱动和文件系统。在开机时此文件系统跟随内核一起加载至内存。内核先去加载虚拟文件系统，从虚拟文件系统加载到驱动磁盘的驱动 

问题四：这个虚拟根文件系统中存放的是哪一种驱动呢？是全部的驱动？还是只针对于本机硬盘设备的驱动？

　　存放的是只适用于本机磁盘类型的驱动。所以虚拟根文件系统不是提前制作好的，而是在安装操作系统时，在安装最后一步自动生成的适用于自己的电脑的磁盘的驱动。

　　这个虚拟文件系统是一个本地回环设备文件，并且该文件在系统启动时会自动加载到内存。在内存中把这个文件当做磁盘使用，从而使得内核能加载到临时根文件系统，并装载临时根文件系统中的驱动。随后进行根切换。将临时根切换为真正根。

CentOS 系统启动流程：

概述：加电自检,通过BIOS设定的启动顺序，将第一个含有bootloader的设备中的内核加载至内存。随后内核在内存中完成初始化（加载硬件驱动程序（有可能借助ramdisk），只读格式挂载跟文件系统，并运行第一个用户空间程序/sbin/init）。

POST：powered self-test  加电自检；

在按下开机电源后，给CMOS通电，先去通过BIOS读取CMOS中存储的当前系统的硬件配置和用户的参数设定，根据BIOS的设定去检测硬件设备（cpu、memory、disk）是否存在，状态是否正常，之后进行硬件设备的初始化。

补充：在上述操作后，会有一个提示：例如Windows中按下enter进入bios设定界面。Linux如下图按“F2”进入bios。随后看到bios界面

BOOT Sequence：系统的引导加载次序

在bios中有个BOOT Sequence（见上图的boot菜单），根据BIOS设定的次序去逐一查找含有boot loader（引导加载器，是一个程序）的设备，直到找到第一个可启动设备。第一个有引导程序的设备即为本次启动用到设备；如果我们不按“F2”进入bios更改启动选项的话，会使用boot中之前已经设置好的。

MBR: master boot record 

位于硬盘上的0磁道的0分区共512字节，由以下三部分组成

　　前446字节: bootloader，一般是在安装OS时，默认安装。也可以手动安装

　　64: fat（磁盘分区表）

　　最后2字节: 55AA，用来标记boot loader是否有效 

bootloader:

每一种操作系统都应该有自己的加载器，bootloader主要功能是：找到操作系统所在的磁盘分区，将内核加载至内存中，并且将控制权转交给内核。

功能：提供一个菜单，允许用户选择要启动系统或不同的内核版本；把用户选定的内核装载到内存中的特定空间中，解压、展开，并把系统控制权移交给内核；

Windows中的bootloader是 ntloader

Linux中的bootloader有两种

LILO：LInux LOader，古老，常见于手机中

GRUB: GRand Uniform Bootloader                                                                                                                                                                                                                   

　　GRUB 0.X: GRUB Legacy  在centos6中使用的是0.9版本的grub。

　　 

　　GRUB 1.x: GRUB2，grub 二代和一代完全不同是完全重写的centos7使用的是grub2 

　　

GRUB: grup有三个阶段

Stage1：运行boot loader主程序，这个程序只能被安装在MBR中。因为MBR空间太小，因此仅安装boot loader的最小主程序，并没有安装配置文件。只是查找位于磁盘上的第1.5阶段

Stage1_5：在MBR随后的扇区存放，重要用于与stage2所在分区的文件进行交互。系统所使用的文件系统类型，在安装完操作系统后就已经确认为某一种了。Grup的1.5阶段就是将上图的某一个1_5与当前文件系统匹配，安装在了MBR随后的扇区上。通过1.5阶段去访问第2阶段分区的驱动，加载并访问第2阶段

Stage2：通过boot loader加载所有的配置文件和相关环境参数，这些文件和参数放在磁盘的/boot目录下。

Kernel： 

通过bootloader 加载内核后，内核在内存中解压，加载。探测可识别到的所有硬件设备，加载硬件驱动程序（有驱动的适用驱动去访问硬件，没有的适用基本驱动去访问，如果基本驱动无法访问，则该设备无法被加载），只读方式挂载根文件系统，并启动init。

自身初始化：

1． 探测可识别到的所有硬件设备；                                                                                                                                                                                                                        

2． 加载硬件驱动程序；（有可能会借助于ramdisk加载驱动）

3． 以只读方式挂载根文件系统；

任何一个程序中都有不确定因素，内核第一次加载根文件系统后，并不确定自己的行为是否妥当的，只读方式，是为了防止内核有BUG的情况下删除根文件系统等破坏性操作

4. 运行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init  

init程序的类型：

SysV: init, CentOS 5                                                                                                                                                                                                                             

　　配置文件：/etc/inittab                                                                                                                                                                                                                         

Upstart: centos6

　　在centos6上又被重命名为init,所有 CentOS 6还可以使用service启动管理服务。

　　配置文件：/etc/inittab（该文件在centos6上几乎被废弃）,主要使用 /etc/init/*.conf

Centos6使用UPstart的原因

　　Sysv的init在完成系统初始化时,都是借助于脚本实现，是串行运行的。脚本是一组命令的集合，整个初始化过程由上往下执行，一直在创建进程和销毁进程，而各个服务之间有的还有以来关系（如A依赖于B只有在B完全启动后A才能启动），处理速度慢。这就是为什么centos5启动慢的原因。Upstart 是由ubantu研发的，他是接近于并行运行的。当出现依赖关系是A无需等待B完全启动（提供一种基于总线的进程间互相通信，B一初始化就可以通知A，A可以启动了）centos6启动速度比centos大大加快。

Systemd：systemd, CentOS 7

仿照mac的初始化启动流程，不通过脚本的方式启动服务，而是由systemd自己本身启动服务，只有在服务第一次被使用的时候，该服务才被启动。这使得开机可以在秒级别启动

配置文件：

　　/usr/lib/systemd/system/和/etc/systemd/system/目录下  

系统初始化流程总结（前半段）：                                                                                                                                                                                                                                         

POST --> BootSequence (BIOS) --> Bootloader(位于MBR，三阶段) --> kernel-->[ramdisk](内核借助ramdisk挂载临时根，通过临时根去加载硬件驱动，然后切换临时根为真正根） --> rootfs(只读方式挂载真正根) --> init  

/sbin/init

CentOS 5:

运行级别：

为了系统的运行或维护等应用目的而设定；                                                                                                                                                                                                   

0-6：7个级别 

0：关机                                                     

1：单用户模式(默认root用户, 无须输入密码，即可登录), single, 维护模式；            

2: 多用户模式，会启动网络功能，但不会启动NFS（网络文件系统）；维护模式；     

3：多用户模式，正常模式；文本界面；                          

4：预留级别；可同3级别；                                     

5：多用户模式，正常模式；图形界面； 

6：重启                                                                                                                 

默认运行级别：

Linux默认运行级别应该为3或5。

切换级别：

init #                                                                                                                                                              

查看级别：

runlevel ：查看系统当前和上一次运行级别  

输出两个字段：第一个代表上一次运行的级别，第二个为本次运行级别。下图情况N是null的意思代表系统启动后没有切换过级别，所以就和本次运行的级别一样其实也是3。3代表系统运行级别为3级别。who -r  ：last=3代表上次运行级别为3

配置文件：/etc/inittab

配置文件/etc/inittab的格式

设定系统默认运行级别

每一行定义一种action以及与之对应的process（操作）

id:runlevels:action:process

id：一个任务的标识符；

runlevels：在哪些级别启动此任务；#，###，也可以为空，表示所有级别；

action：在什么条件下启动此任务；

process：任务； 

action：

　　wait：等待切换至此任务所在的级别时执行一次；

　　respawn：一旦此任务终止，就自动重新启动之；例如系统登录界面，每次登出系统都会跳转的此界面

　　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；

/etc/rc.d/rc.sysinit：系统软件运行环境的配置比脚本。在设置好默认运行级别后，装载此脚本完成系统配置。

例如：

　　根据配置文件中的设定来设定主机

　　激活selinux和udev

　　激活swap设备

　　设置时钟

　　激活LVM、raid设备

　　检测根文件系统，实现以读写方式重新挂载等

例如：

id:3:initdefault: 设定默认运行级别为3

系统环境初始化 

si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit：设定系统初始化方式，此处一般为指/etc/rc.d/rc.sysinit（系统初始化脚本）；

运行指定级别下的脚本

10:0:wait:/etc/rc.d/rc  0

11:1:wait:/etc/rc.d/rc  1

…………

16:6:wait:/etc/rc.d/rc  6

每一行后都有一个参数0~6，由于一开始设定“id:3:initdefault:”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服务；etc/rc.d/rc3.d/目录下的服务脚本，都是以S或者K开头的。K代表关闭服务。S代表开启服务                                                                                                                                                                                     

K##*：##运行次序；数字越小，越先运行；数字越小的服务，通常为依赖到别的服务；

S##*：##运行次序；数字越小，越先运行；数字越小的服务，通常为被依赖到的服务；

这些/etc/rc.d/rc#.d/下的S或者K开头的文件其实是/etc/rc.d/init.d/下文件的链接文件，链接文件保持/etc/rc.d/init.d下文件名不变只是在其前边添加K##或者S##

chkconfig命令

/etc/rc.d/rc#.d/下文件被启动还是关闭由其开头的S或者K决定。配置其实在哪个级别上开启或者关闭的是由chkconfig命令决定的

查看服务在所有级别的启动或关闭设定情形：

chkconfig [--list] [name]    

更改指定服务在某级别下的启停状态

例如更改NetworManager在3级别下由on改为off状态

Chkconfig --level 3 NetworManager off

可以看到/etc/rc.d/rc3.d下NetworkManager被改成了以K开头的了

补充：K84NetworkManager中优先级84是怎么来的呢？

这个信息是在每个服务的脚本中定义的。查看/etc/rc.d/rc3.d/NetworkManager脚本。

Centos5 sysv格式：

第一个地段：代表刚添加完服务脚本在此目录，并受到chkconfig控制时默认在那些级别下将此服务设置为S，“-”代表所有级别都不为S，即刚刚把服务脚本添加到目录，使用chkconfig处理时，默认在0~6级别都添加一个K开头的链接文件；

第二个字段：23代表启动时的优先级。

第三个地段：84位关闭时的优先级。

Centos5一刀切的设置启动方式，centos6有更高级方式如下图

如何让手动安装的软件要像系统服务那样自启动

添加：手动安装的软件要想像系统服务那样自启动需要手动编写Sysv脚本放在/etc/rc.d/init.d下                                                                SysV的服务脚本放置于/etc/rc.d/init.d (/etc/init.d)                                                                                                                                                                                         

使用chkconfig创建rc脚本

　　chkconfig --add name                                                                                                                                                                                                                       

删除：                                                                                                                                                                                                                                       

chkconfig --del name                                                                                                                                                                                                                        

修改指定的链接类型                                                                                                                                                                                                                           

chkconfig [--level levels] name <on|off|reset>

--level LLLL: 指定要设置的级别；省略时表示2345； 

注意：正常级别下，最后启动一个服务S99local没有链接至/etc/rc.d/init.d一个服务脚本，而是指向了/etc/rc.d/rc.local脚本；因此，不便或不需写为服务脚本放置于/etc/rc.d/init.d/目录，且又想开机时自动运行的命令，可直接放置于/etc/rc.d/rc.local文件中；

启动六个虚拟终端

tty1:2345:respawn: /sbin/mingetty tty1                                                                                                                                                                                                        

tty2:2345:respawn: /sbin/mingetty tty2                                                                                                                                                                                                        

...                                                                                                                                                                                                                                              

tty6:2345:respawn: /sbin/mingetty tty6                                                                                                                                                                                                        

只在2345级别启动原因：因为1级别不需要用户登录是单用户模式，6级别为重启

respawn：当用户登出后，立即重启/usr/sbin/mingetty中的某一虚拟终端

注意：mingetty会调用login程序，login程序给用户提供一个登录界面，并验证账号密码信息 

补充：

/etc/rc.d/rc.sysinit: 系统初始化脚本                            

(1) 设置主机名；                                              

(2) 设置欢迎信息；                                            

(3) 激活udev和selinux;                                                                                                                                                                                                                           

(4) 挂载/etc/fstab文件中定义的文件系统；这就是以为什么该文件中定义设备会被开机自动挂载                      

(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) 激活swap设备；                                            

(8) 根据/etc/sysctl.conf文件设置内核参数； 

(9) 激活lvm及software raid设备；                                                                                                   

(10) 加载额外设备的驱动程序；                                  

(11) 清理操作； 总结：/sbin/init --> (/etc/inittab) --> 设置默认运行级别 --> 运行系统初始脚本、完成系统初始化 --> 关闭对应下需要关闭的服务，启动需要启动服务 --> 设置登录终端

全部总结--CentOS 6启动流程：

POST --> Boot Sequence(BIOS) --> Boot Loader (MBR) --> Kernel(ramdisk) --> rootfs --> switchroot --> /sbin/init -->(/etc/inittab, /etc/init/*.conf) --> 设定默认运行级别 --> 系统初始化脚本 --> 关闭或启动对应级别下的服务 --> 启动终端