Linux之Centos系统的启动流程详述

概述

了解系统的启动流程，有助于我们了解Linux系统上的一些工作原理，有助于我们深入的理解一个系统的运作方式，那么本篇就以CentOS6系统为例，介绍一下有关Linux系统启动相关的内容，分为一下几个部分

1、Linux系统的一些基础概念

2、CentOS6上的启动流程概述

第一章 Linux系统的一些基础概念

Linux系统的组成部分:内核(kernel)+根文件系统(rootfs)
    rootfs:程序和glibc(GNU发布的libc库)
        库:
            函数集合,function,调用接口(头文件负责描述)
            过程调用:procedure,无返回值
            函数调用:function
        程序:二进制执行程序

    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
        进程的通信
            IPC:Inter Process Communication
            消息队列、semerphor、shm(共享内存):本地的通信机制
            socket:跨主机的通信机制

运行中的系统环境可分为两层:内核空间、用户空间
    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:把所有的功能集成与同一个程序;
        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:
    支持模块化: .ko(kernel object)
        如:文件系统,硬件驱动,网络协议等
    支持模块运行时动态装载或卸载;

启动分区:/boot
    rootfs:遵循FHS目录结构
    如:/bin ,/sbin./lib,/etc,/etc,/proc,/sys,/dev,/boot

    组成部分:
        核心文件:/boot/vmlinuz-VERSION-release
            在www.kernel.org的官方站点有各种内核版本
                mainline:开发版本
                stable:稳定版本
                longterm:长期维护版本
ramdisk(辅助的伪根系统):系统在启动时,根文件系统一定是在某个磁盘分区上,而内核如果没有编译该文件系统的相关驱动,就会导致系统无法正常启动;并且内核需要夹在的各种模块文件,其都在/lib/modules/目录下,此目录也必然是在根目录下,而根无法驱动,也会造成模块无法正常运行,进而不能进入系统.此时ramdisk的作用就体现出来,因为ramdisk是在/boot目录下,/boot目录是有grub的1.5阶段进行驱动的,它的作用就是一个伪根系统,内核在启动之后会驱动他到内存中,来对系统中的相关驱动和模块进行启动和运行,等待所有任务执行之后就会切换给真正磁盘根目录.
    Centos5:/boot/initrd-VERSION-release.img
    Centos 6,7:/boot/initramfs-VERSION-release.img
        模块文件:/lib/modules/VERSION-release
             如果安装了多个内核版本，则对应的目录下就有多个文件，或多个目录

第二章 Centos系统的启动流程

POST(Power On Self Test):加电自检;
    自检主要是检测一下硬件设备是否存在并且正常运行;这些自检的功能是有一个软件程序来实现的,这个软件程序就是BIOS;
    ROM:CMOS
        BIOS:Basic Input and Output System
            BIOS即基本输入输出系统,他是装载与一个硬件芯片CMOS之上.
    ROM+RAM

Boot Sequence(MBR):
    按次序查找各引导设备,第一个有引导程序的设备即为本次启动要用到的设备;

    bootloader:引导加载器,程序;
    linux:
        LILO:LInux LOader
        GRUB:Grand Uniform Bootloader
            GRUB 0.X:Grub legacy
            GRUB 1.X:Grub2
        功能:提供一个菜单,允许用户选择要启动的系统或不通的内核版本;把用户选定的内核装载到RAM中的特定空间中,解压,展开,而后把系统控制权移交给内核;

    MBR:Master Boot Record
        512bytes:
            446bytes:bootloader
            64bytes:fat
            2bytes:55AA

    GRUB:
        bootloader(MBR): 1st stage
        Partltion:filesystem driver;1.5 stage
        Partltion:/boot/grub;2nd stage

    注意:UEFI,GPT

    Kernel:
        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)
            以只读方式挂载跟文件系统;
            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
                    每行定义一种action以及与之对应的process
                        id:runlevels:action:process
                            id:一个任务的标识符;
                            runlevels:在哪些级别下启动此任务;(#,###,也可以为空,表示所有级别)
                            action:在什么条件下启动此任务;
                                walt: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,则自动重新启动之;
                                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
                                    l0:0:walt:/etc/rc.d/rc 3
                                    l1:1:walt:/etc/rc.d/rc 1
                                    ..........
                                    l6:6:walt:/etc/rc.d/rc 6
                                        意味着去启动或者关闭/etc/rc3.d/目录下的服务脚本所控制的服务;
                                        K*:要停止的服务;K##*:优先级,数字越小,越是优先关闭;依赖的服务先关闭;而后关闭被依赖的;
                                        S*:要启动的服务;S##*:优先级,数字越小,越是优先开启;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}
                            process:任务;

            Centos 6-: Upstart
                配置文件:/etc/inittab

            Centos 7-:systemd
                配置文件:/usr/lib/systemd/system/,/etc/systemd/system/

        ramdisk:
            Linux内核的特性之一:使用缓冲和缓存来加速对磁盘上的文件访问;

                ramdisk-->ramfs

                Centos 5:initrd
                    工具程序:mkinitrd

                Centos 6,7: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()

        /sbin/init:

            Centos 5: SysV init

                运行级别:为了系统的运行或维护等目的设定的机制;
                    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(multi 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,reboot

                默认级别:3,5
                    对于服务器一般为3,个人使用为5;

                级别切换: init #

                级别查看:
                    who -r
                    runlevel 
                        N表示上一次级别

chkconfig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
        能添加的服务的脚本定义格式之一:
            #!/bin/bash
            #
            #chkconfig LLL KK SS
            #description:
                LLL:运行在哪些级别之上
                KK:停止的优先级
                SS:启动的优先级
        能添加的服务的脚本定义格式之二
           ### BEGIN INIT INFO
           # Provides: foo
           # Required-Start: bar
           # Defalt-Start: 2 3 4 5
           # Default-Stop: 0 1 6
           # Description: Foo init script
           ### END INIT INFO
    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下的某脚本,而是链接至了/etc/rc.d/rc.local脚本;为服务脚本的程序期望能开机自动运行时,直接放置于此脚本文件中即可

    tty1:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty1
    ....
    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;

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]

    系统初始化脚本:/etc/rc.d/rc.sysinit
        (1)设置主机名;
        (2)设置欢迎信息;
        (3)激活udev和selinux;
        (4)挂载/etc/fstab文件中定义的所有文件系统;
        (5)检测跟文件系统,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,来设定内核参数;
        (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; 

Centos 6:
    init程序:upstat,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upstat风格的配置文件;
                rc.conf
                rcS.conf
                start-tty.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systemct命令来控制服务;
        #systemctl {start|stop|restart|status} name[.service]

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