CentOS系统启动流程（上）
作为系统运维人员，详细的了解操作系统的启动流程，对于我们日常排除故障大有益处，遇到相关的问题处理，能快速定位，迅速锁定关键点。
下面详细介绍一下，CentOS系统的启动过程，以供各位参考。由于linux各个发行版使用的启动方法略有不同，比如CentOS5使用的是initd，CentOS6使用的是较为接近的Upstart，而CentOS7则是使用画风完全不同的Systemd，因而，对于其中有区别的部分，我也会对应不同的发行版本来分别介绍。
一个基本的操作系统，无非就是由内核+系统级别的库+应用程序所组成。其中，内核负责进行内存管理、进程管理、安全管理、网络管理以及硬件驱动程序的管理。库提供了上层应用程序向下层操作系统的调用接口。应用程序，顾名思义，就是能提供各种功能各种服务的软件了。这其中，内核是整个系统的根本，没有内核，则应用程序也无法单独存在。因而，每个操作系统，内核是必不可少的，想要使用电脑，则必需先启动内核。因而，操作系统的启动，实际上也就是内核启动的过程。
回到正题，一般操作系统启动的过程，大致可分为以下几个步骤：
加电自检(POST)–>BootLoader选择引导的内核–>内核启动，建立内核空间–>加载根文件系统–>建立用户空间，并启动用户空间的第一个程序，然后创建交互式接口，等待用户的操作指令
加电自检(POST)：
通过固化在主板上CMOS的ROM芯片，执行指定程序，进行硬件检测。该步骤主要检查硬件几大部件，CPU、主板、内存、显卡等设备，维持计算机运行的主要部件。如设备有问题，自检不通过，设备也点不亮。当然，也会顺带检测其它一些非必要的硬件设备，比如外设：鼠标键盘网卡声卡等。
BootLoader：
BIOS(Basic Input and Output System)设置里，有个选项是关于引导顺序(BOOT Sequence)的，加电自检完成后，系统会根据BOOT Sequence里设定的顺序，查找可用的MBR(主引导记录)，一旦找到设备有MBR(就是第一个找到的MBR设备)，则会选择从该设备引导系统。MBR记录中，有bootloader程序，大小为446字节，该部分记录了引导系统的重要信息。该程序的主要功能，是提供一个菜单，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，从而完成内核的引导。
这里插入一段小插曲，以前比较老的系统，BootLoader的任务由LILO(LInux LOader)的软件所承担,而该软件也能很好的完成它的任务。因为以前的硬盘容量都比较小，因而446字节的信息描述足以完成对内核的加载。而随着现今硬盘容量的激增，每个分区都很大，而内核程序有可以保存在每一个分区中，这样，对于大容量硬盘，LILO则显得有点力不从心了。不过Linux界从来都不缺明星呀，新一代的BootLoader软件–GRUB: GRand Unified Bootloader (GRUB)闪亮登场。
GRUB传统版本用于CentOS5、6,版本号是0.X，新的CentOS7则升级到1.X版本。GRUB采用了分阶段运行的方式，成功的绕开了446字节的限制，实现了对大容量硬盘的支持。第1阶段，GRUB依然是驻留在MBR的bootloader中，这一阶段的BRUB，主要完成对内核所在设备的链接，找到内核驻留到的存储设备。然后，GRUB有个过渡阶段，可称为1.5阶段吧，该阶段利用找到的存储设备上的文件，识别内核所在硬盘分区上的文件系统，加载内核所在设备的驱动程序。能识别内核所在硬盘分区的文件系统，事情就好办了，第2阶段，将内核加载到内存的特定位置，运行，并将系统的控制权移交到该内核。至此，内核完成加载并开始启动。
内核启动，建立内核空间，加载根文件系统–，建立用户空间：
Kernel启动后，会进行以下操作：
自身初始化;
探测可识别到的所有硬件设备；
加载硬件驱动程序：（有可能会借助于ramdisk加载驱动）；
以只读方式挂载根文件系统；
运行用户空间的第一个应用程序；
其中用户空间的第一个应用程序的创建，各个发行版本因应使用的技术，在实现上略有不同，在CentOS5上沿用的是sysv风格的initd；而CentOS6使用的是在initd升级改良而来的Upstart；CentOS7，则采用了全新的systemd技术。鉴于CentOS5与 CentOS6采用的技术较为雷同，在此，以CentOS5所使用的initd进行讲解，至于CentOS7所使用的systemd技术，我会在下篇中说明，在这里先卖个小广告，敬请大家期待。
CentOS5运行用户空间的第一个应用程序是 /sbin/init，init以守护进程的形式而存在，且是所有用户空间进程的父进程，所有用户空间进程均由init进程创建派生而来。同时，在init运行的同时，init会利用脚本程序，对系统环境进行大量的操作，以便完成系统初始化。
对于系统初始化，我们特别定制了一个特殊的脚本：/etc/rc.d/rc.sysinit。这个脚本在系统初始化时运行，并执行一些特殊的操作，其主要实现的功能有：
(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
(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
然后，CentOS有个运行级别的概念。什么是运行级别呢？运行级别就是为了系统的运行或维护等应用目的而设定的运行等级。
CentOS5/6有7个运行级别，分别是：
0：关机
1：单用户模式(root,无须登录，无需密码),single,维护模式
2：多用户模式，会启动网络功能，但不会启动NFS：维护模式
3：多用户模式，正常模式，文本界面
4：预留级别，暂不使用，但可视为同3级别一样
5：多用户模式，正常模式，图形界面
6：重启系统
其中，默认级别是级别3 或级别5
Init程序运行时，会读取 /etc/inittab的配置文件，根据配置文件的不同而执行相应的动作。这里贴出一个inittab配置文件的例子：
[root@www ~]# cat /etc/inittab
# inittab is only used by upstart for the default runlevel.
#
# ADDING OTHER CONFIGURATION HERE WILL HAVE NO EFFECT ON YOUR SYSTEM.
#
# System initialization is started by /etc/init/rcS.conf
#
# Individual runlevels are started by /etc/init/rc.conf
#
# Ctrl-Alt-Delete is handled by /etc/init/control-alt-delete.conf
#
# Terminal gettys are handled by /etc/init/tty.conf and /etc/init/serial.conf,
# with configuration in /etc/sysconfig/init.
#
# For information on how to write upstart event handlers, or how
# upstart works, see init(5), init(8), and initctl(8).
#
# Default runlevel. The runlevels used are:
# 0 – halt (Do NOT set initdefault to this)
# 1 – Single user mode
# 2 – Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not have networking)
# 3 – Full multiuser mode
# 4 – unused
# 5 – X11
# 6 – reboot (Do NOT set initdefault to this)
#
id:3:initdefault:
文件前面的都是注释说明，实际只有一行，即最后一行是实际配置。它的格式为：
id:runlevel:action:process
其中：
Id：就是每行的id值，不重复即可；
Runlevel：就是上面提到的运行级别的数值；
Action:action分别有如下的动作：
wait:切换至此级别运行一次
respawn:此process终止，就重新启动之
initdefault:设定默认运行级别, process省略
sysinit:设定系统初始化方式，此处一般为指定/etc/rc.d/rc.sysint;
上面例子中的：id:3:initdefault: #就是默认运行3级别的意思
划分了运行级别，到底有什么作用呢？让我们看看/etc/rc.d目录下的内容：
[root@www /]# ls -lh /etc/rc.d
total 60K
drwxr-xr-x. 2 root root 4.0K Apr 7 18:52 init.d
-rwxr-xr-x. 1 root root 2.6K Oct 16 2014 rc
drwxr-xr-x. 2 root root 4.0K Apr 7 18:53 rc0.d
drwxr-xr-x. 2 root root 4.0K Apr 7 18:53 rc1.d
drwxr-xr-x. 2 root root 4.0K Apr 7 18:53 rc2.d
drwxr-xr-x. 2 root root 4.0K Apr 7 18:53 rc3.d
drwxr-xr-x. 2 root root 4.0K Apr 7 18:53 rc4.d
drwxr-xr-x. 2 root root 4.0K Apr 7 18:53 rc5.d
drwxr-xr-x. 2 root root 4.0K Apr 7 18:53 rc6.d
-rwxr-xr-x. 1 root root 340 Dec 29 23:22 rc.local
-rwxr-xr-x. 1 root root 20K Oct 16 2014 rc.sysinit
这里，rc0.d到rc6.d几个目录，对应的正是我们之前设置的7个运行级别。聪明的小伙伴看到这里一定猜到了什么了。我们再选rc3.d看看：
[root@www /]# ls -lh /etc/rc.d/rc3.d/
total 0
lrwxrwxrwx. 1 root root 16 Dec 25 06:15 K01smartd -> ../init.d/smartd
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 Dec 25 06:10 K02oddjobd -> ../init.d/oddjobd
.
.
.
lrwxrwxrwx. 1 root root 18 Dec 29 22:33 K92iptables -> ../init.d/iptables
lrwxrwxrwx. 1 root root 19 Dec 25 06:31 K95firstboot -> ../init.d/firstboot
lrwxrwxrwx. 1 root root 14 Dec 25 06:15 K99rngd -> ../init.d/rngd
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 Dec 25 06:13 S01sysstat -> ../init.d/sysstat
lrwxrwxrwx. 1 root root 22 Dec 25 06:14 S02lvm2-monitor -> ../init.d/lvm2-monitor
lrwxrwxrwx. 1 root root 22 Dec 25 06:36 S03vmware-tools -> ../init.d/vmware-tools
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 Dec 25 06:07 S10network -> ../init.d/network
.
.
.
lrwxrwxrwx. 1 root root 15 Apr 7 18:53 S85httpd -> ../init.d/httpd
lrwxrwxrwx. 1 root root 15 Dec 25 06:10 S90crond -> ../init.d/crond
lrwxrwxrwx. 1 root root 13 Dec 25 06:00 S95atd -> ../init.d/atd
lrwxrwxrwx. 1 root root 20 Dec 25 06:10 S99certmonger -> ../init.d/certmonger
lrwxrwxrwx. 1 root root 11 Dec 25 06:07 S99local -> ../rc.local
鉴于编幅，中间省略了一大段，免得被人说我刷稿费呀。
虽然省略了不少内容，但各位有没有从中发现什么规律呢？
对，里面都是由K01某服务脚本…K99某服务脚本，S01某服务脚本…S99某服务脚本组成。什么意思呢？K##开始的，对应的是关闭某某服务软件的脚本，而S##对应的，则是开启某某服务软件的脚本。比如： K92iptables 的功能，就是关闭iptables服务，而S85httpd，则是开启httpd服务了。
我们再来看看httpd服务
lrwxrwxrwx. 1 root root 15 Apr 7 18:53 S85httpd -> ../init.d/httpd
S85httpd链接到了上级目录 ../init.d/httpd，因而，实际执行代码的脚本是在/etc/rc.d/init.d中的httpd脚本。这就是系统存放服务脚本的地方。
每个服务，我们都会按优先级编定不同的次序(S##,K##)，然后，在选择了相应的运行等级里，按次序运行该级别K##的脚本，以实现关闭该级别下的服务，然后，按次序运行该级别S##的脚本，以实现启动该级别下的服务。
系统脚务脚本与一般脚本的功能一样，只是在脚本开始的注释上有所要求，系统服务脚本的格式为：
#!/bin/bash
#
#chkconfig: LLL nn nn
其中，LLL是服务默认启动的级别，比如LLL为3，4，5，则表示此服务默认在3级别、4级别、5级别下都是运行的。第一个nn则是用于启动的序号，比如上面的httpd服务，nn是85，则脚本名称就影射为S85httpd；第二个nn是关闭的序号，又比如上面的iptabled服务，nn为92，则脚本名称影射为K92iptables。
通过以上的规划，我们为系统的各种服务设置了各种场景。比如在多用户模式3级别下，我们可定制系统某些服务在内核启动后则自动加载运行，某些服务则不加载。在关机模式0级别下，我们可定制系统关闭某服务，然后才安全关机。
最后，系统在执行完上述的脚本命令后，还会默认启动6个虚拟终端，以等待用户登录，提供界面以执行交互式操作。
tty1:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty1
tty2:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty2
Tty3:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty3
tty4:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty4
Tty5:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty5
tty6:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty6
以上，就是CentOS5的系统启动全过程，是不是觉得眼花瞭乱呢，没关系，让我们总结一下整个过程：
CentOS5的系统启动全过程：
加电自检(POST)–>Boot Sequence(BIOS) –>BootLoader(MBR)选择引导的内核–>内核启动，建立内核空间–>加载根文件系统–>建立用户空间，并启动用户空间的第一个程序 /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 –> 关闭对应级别下需要关闭的服务，启动需要启动的服务 –>设置登录终端,等待用户登录
这样一整理，是不是觉得整个启动过程清晰明瞭了 :-)
至于CentOS6，其启动过程与5其实是大同小异的，只是CentOS6的init配置文件为/etc/init/*.conf下的一堆配置文件，而/etc/inittab 也为兼容5而依然存在。具体到二者的不同，表现在CentOS5的init执行脚本为顺序执行，因而在系统启动时会串行地执行一大堆的脚本命令，效率显得不高。而CentOS6在其之上稍作改变，init的脚本执行机制类似于并行，因而Upstart的方式比init的方式来得高效。
CentOS6的系统启动全过程：
加电自检(POST)–>Boot Sequence(BIOS) –>BootLoader(MBR)选择引导的内核–>内核启动，建立内核空间–>加载根文件系统–>建立用户空间，并启动用户空间的第一个程序 /sbin/init –> (/etc/inittab,/etc/init/*.conf) –>设置默认运行级别 –> 运行系统初始脚本、完成系统初始化 –> 关闭对应级别下需要关闭的服务，启动需要启动的服务 –>设置登录终端,等待用户登录
上述为CentOS5、CentOS6的系统启动过程，由于CentOS7采用的是systemd的机制，与上述的两种机制相比，发生了很大的变化，因而，我会在下篇中详述。
以上是我对CentOS系统启动过程的理解！作为初学者，我对linux的认识还是很肤浅，上述可能有不正确的地方，如有错漏，希望各位能及时指正，共同进步。
我的QQ：153975050
在此感谢马哥及马哥团队，在linux的道路上引领我一直向前！
小斌斌
2016-06-06
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