CentOS系統啟動流程（上）

CentOS系統啟動流程（上）

 

作為系統運維人員，詳細的了解操作系統的啟動流程，對于我們日常排除故障大有益處，遇到相關的問題處理，能快速定位，迅速鎖定關鍵點。

下面詳細介紹一下，CentOS系統的啟動過程，以供各位參考。由于linux各個發行版使用的啟動方法略有不同，比如CentOS5使用的是initd，CentOS6使用的是較為接近的Upstart，而CentOS7則是使用畫風完全不同的Systemd，因而，對于其中有區別的部分，我也會對應不同的發行版本來分別介紹。

一個基本的操作系統，無非就是由內核+系統級別的庫+應用程序所組成。其中，內核負責進行內存管理、進程管理、安全管理、網絡管理以及硬件驅動程序的管理。庫提供了上層應用程序向下層操作系統的調用接口。應用程序，顧名思義，就是能提供各種功能各種服務的軟件了。這其中，內核是整個系統的根本，沒有內核，則應用程序也無法單獨存在。因而，每個操作系統，內核是必不可少的，想要使用電腦，則必需先啟動內核。因而，操作系統的啟動，實際上也就是內核啟動的過程。

回到正題，一般操作系統啟動的過程，大致可分為以下幾個步驟：

加電自檢(POST)–>BootLoader選擇引導的內核–>內核啟動，建立內核空間–>加載根文件系統–>建立用戶空間，并啟動用戶空間的第一個程序，然后創建交互式接口，等待用戶的操作指令

 

加電自檢(POST)：

通過固化在主板上CMOS的ROM芯片，執行指定程序，進行硬件檢測。該步驟主要檢查硬件幾大部件，CPU、主板、內存、顯卡等設備，維持計算機運行的主要部件。如設備有問題，自檢不通過，設備也點不亮。當然，也會順帶檢測其它一些非必要的硬件設備，比如外設：鼠標鍵盤網卡聲卡等。

 

BootLoader：

BIOS(Basic Input and Output System)設置里，有個選項是關于引導順序(BOOT Sequence)的，加電自檢完成后，系統會根據BOOT Sequence里設定的順序，查找可用的MBR(主引導記錄)，一旦找到設備有MBR(就是第一個找到的MBR設備)，則會選擇從該設備引導系統。MBR記錄中，有bootloader程序，大小為446字節，該部分記錄了引導系統的重要信息。該程序的主要功能，是提供一個菜單，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內存中的特定空間中，解壓、展開，并把系統控制權移交給內核，從而完成內核的引導。

這里插入一段小插曲，以前比較老的系統，BootLoader的任務由LILO(LInux LOader)的軟件所承擔,而該軟件也能很好的完成它的任務。因為以前的硬盤容量都比較小，因而446字節的信息描述足以完成對內核的加載。而隨著現今硬盤容量的激增，每個分區都很大，而內核程序有可以保存在每一個分區中，這樣，對于大容量硬盤，LILO則顯得有點力不從心了。不過Linux界從來都不缺明星呀，新一代的BootLoader軟件–GRUB: GRand Unified Bootloader (GRUB)閃亮登場。

GRUB傳統版本用于CentOS5、6,版本號是0.X，新的CentOS7則升級到1.X版本。GRUB采用了分階段運行的方式，成功的繞開了446字節的限制，實現了對大容量硬盤的支持。第1階段，GRUB依然是駐留在MBR的bootloader中，這一階段的BRUB，主要完成對內核所在設備的鏈接，找到內核駐留到的存儲設備。然后，GRUB有個過渡階段，可稱為1.5階段吧，該階段利用找到的存儲設備上的文件，識別內核所在硬盤分區上的文件系統，加載內核所在設備的驅動程序。能識別內核所在硬盤分區的文件系統，事情就好辦了，第2階段，將內核加載到內存的特定位置，運行，并將系統的控制權移交到該內核。至此，內核完成加載并開始啟動。

 

內核啟動，建立內核空間，加載根文件系統–，建立用戶空間：

Kernel啟動后，會進行以下操作：

    自身初始化;

    探測可識別到的所有硬件設備；

    加載硬件驅動程序：（有可能會借助于ramdisk加載驅動）；

    以只讀方式掛載根文件系統；

    運行用戶空間的第一個應用程序；

 

其中用戶空間的第一個應用程序的創建，各個發行版本因應使用的技術，在實現上略有不同，在CentOS5上沿用的是sysv風格的initd；而CentOS6使用的是在initd升級改良而來的Upstart；CentOS7，則采用了全新的systemd技術。鑒于CentOS5與 CentOS6采用的技術較為雷同，在此，以CentOS5所使用的initd進行講解，至于CentOS7所使用的systemd技術，我會在下篇中說明，在這里先賣個小廣告，敬請大家期待。

 

CentOS5運行用戶空間的第一個應用程序是 /sbin/init，init以守護進程的形式而存在，且是所有用戶空間進程的父進程，所有用戶空間進程均由init進程創建派生而來。同時，在init運行的同時，init會利用腳本程序，對系統環境進行大量的操作，以便完成系統初始化。

 

對于系統初始化，我們特別定制了一個特殊的腳本：/etc/rc.d/rc.sysinit。這個腳本在系統初始化時運行，并執行一些特殊的操作，其主要實現的功能有：

 (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

 (6)設置系統時鐘

 (7)激活swap設備

 (8)根據/etc/sysctl.conf文件設置內核參數

 (9)激活lvm及software raid設備

 (10)加載額外設備的驅動程序

 (11)清理操作

 

然后，CentOS有個運行級別的概念。什么是運行級別呢？運行級別就是為了系統的運行或維護等應用目的而設定的運行等級。

CentOS5/6有7個運行級別，分別是：

      0：關機

      1：單用戶模式(root,無須登錄，無需密碼),single,維護模式

      2：多用戶模式，會啟動網絡功能，但不會啟動NFS：維護模式

      3：多用戶模式，正常模式，文本界面

      4：預留級別，暫不使用，但可視為同3級別一樣

       5：多用戶模式，正常模式，圖形界面

       6：重啟系統

其中，默認級別是級別3 或級別5

 

Init程序運行時，會讀取 /etc/inittab的配置文件，根據配置文件的不同而執行相應的動作。這里貼出一個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:

 

文件前面的都是注釋說明，實際只有一行，即最后一行是實際配置。它的格式為：

id:runlevel:action:process

其中：

Id：就是每行的id值，不重復即可；

Runlevel：就是上面提到的運行級別的數值；

Action:action分別有如下的動作：

    wait:切換至此級別運行一次

    respawn:此process終止，就重新啟動之

    initdefault:設定默認運行級別,  process省略

    sysinit:設定系統初始化方式，此處一般為指定/etc/rc.d/rc.sysint;

    

上面例子中的：id:3:initdefault:  #就是默認運行3級別的意思

 

劃分了運行級別，到底有什么作用呢？讓我們看看/etc/rc.d目錄下的內容：

 

[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

 

這里，rc0.d到rc6.d幾個目錄，對應的正是我們之前設置的7個運行級別。聰明的小伙伴看到這里一定猜到了什么了。我們再選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

 

鑒于編幅，中間省略了一大段，免得被人說我刷稿費呀。

雖然省略了不少內容，但各位有沒有從中發現什么規律呢？

對，里面都是由K01某服務腳本…K99某服務腳本，S01某服務腳本…S99某服務腳本組成。什么意思呢？K##開始的，對應的是關閉某某服務軟件的腳本，而S##對應的，則是開啟某某服務軟件的腳本。比如： K92iptables 的功能，就是關閉iptables服務，而S85httpd，則是開啟httpd服務了。

我們再來看看httpd服務

lrwxrwxrwx. 1 root root 15 Apr  7 18:53 S85httpd -> ../init.d/httpd

S85httpd鏈接到了上級目錄 ../init.d/httpd，因而，實際執行代碼的腳本是在/etc/rc.d/init.d中的httpd腳本。這就是系統存放服務腳本的地方。

每個服務，我們都會按優先級編定不同的次序(S##,K##)，然后，在選擇了相應的運行等級里，按次序運行該級別K##的腳本，以實現關閉該級別下的服務，然后，按次序運行該級別S##的腳本，以實現啟動該級別下的服務。

 

系統腳務腳本與一般腳本的功能一樣，只是在腳本開始的注釋上有所要求，系統服務腳本的格式為：

 

#!/bin/bash

#

#chkconfig: LLL nn nn

 

其中，LLL是服務默認啟動的級別，比如LLL為3，4，5，則表示此服務默認在3級別、4級別、5級別下都是運行的。第一個nn則是用于啟動的序號，比如上面的httpd服務，nn是85，則腳本名稱就影射為S85httpd；第二個nn是關閉的序號，又比如上面的iptabled服務，nn為92，則腳本名稱影射為K92iptables。

 

通過以上的規劃，我們為系統的各種服務設置了各種場景。比如在多用戶模式3級別下，我們可定制系統某些服務在內核啟動后則自動加載運行，某些服務則不加載。在關機模式0級別下，我們可定制系統關閉某服務，然后才安全關機。

 

 

最后，系統在執行完上述的腳本命令后，還會默認啟動6個虛擬終端，以等待用戶登錄，提供界面以執行交互式操作。

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的系統啟動全過程，是不是覺得眼花瞭亂呢，沒關系，讓我們總結一下整個過程：

CentOS5的系統啟動全過程：

加電自檢(POST)–>Boot Sequence(BIOS) –>BootLoader(MBR)選擇引導的內核–>內核啟動，建立內核空間–>加載根文件系統–>建立用戶空間，并啟動用戶空間的第一個程序 /sbin/init –> (/etc/inittab) –>設置默認運行級別 –> 運行系統初始腳本、完成系統初始化 –> 關閉對應級別下需要關閉的服務，啟動需要啟動的服務 –>設置登錄終端,等待用戶登錄

 

這樣一整理，是不是覺得整個啟動過程清晰明瞭了 :-)

 

至于CentOS6，其啟動過程與5其實是大同小異的，只是CentOS6的init配置文件為/etc/init/*.conf下的一堆配置文件，而/etc/inittab 也為兼容5而依然存在。具體到二者的不同，表現在CentOS5的init執行腳本為順序執行，因而在系統啟動時會串行地執行一大堆的腳本命令，效率顯得不高。而CentOS6在其之上稍作改變，init的腳本執行機制類似于并行，因而Upstart的方式比init的方式來得高效。

 

CentOS6的系統啟動全過程：

加電自檢(POST)–>Boot Sequence(BIOS) –>BootLoader(MBR)選擇引導的內核–>內核啟動，建立內核空間–>加載根文件系統–>建立用戶空間，并啟動用戶空間的第一個程序 /sbin/init –> (/etc/inittab,/etc/init/*.conf) –>設置默認運行級別 –> 運行系統初始腳本、完成系統初始化 –> 關閉對應級別下需要關閉的服務，啟動需要啟動的服務 –>設置登錄終端,等待用戶登錄

 

上述為CentOS5、CentOS6的系統啟動過程，由于CentOS7采用的是systemd的機制，與上述的兩種機制相比，發生了很大的變化，因而，我會在下篇中詳述。

 

以上是我對CentOS系統啟動過程的理解！作為初學者，我對linux的認識還是很膚淺，上述可能有不正確的地方，如有錯漏，希望各位能及時指正，共同進步。

 

  我的QQ：153975050 

  在此感謝馬哥及馬哥團隊，在linux的道路上引領我一直向前！

                                                  

                                                                                                                               小斌斌

                                                    2016-06-06