Linxu系統的啟動過程

Linxu系統的啟動過程

啟動流程

1、引導Linux啟動是從BIOS中的地址0xFFFF0處開始的，BIOS由兩部分組成：POST代碼和運行時服務，運行時服務是為操作系統提供一些接口，如溫度檢測等。

• BIOS的第一個步驟是加電自檢(POST)，完成對硬件的的檢測，如某些硬件出現錯誤無法通過檢測就導致系統無法啟動，POST完成之后將被清出內存；

• BIOS的第二個步驟是進行設備的枚舉和初始化，按CMOS的設置搜索處于活動狀態并且可引導的設備（floppy、CD-ROM、USB、Disk、NFS），加載主引導記錄(MBR)，到內存。此時BIOS將控制權交給Boot Loader

2、MBR的前 446 個字節是主引導加載程序(Boot Loader)，其中包含可執行代碼和錯誤消息文本。接下來的 64 個字節是分區表，其中包含 4 個分區的記錄（每個記錄16 bytes）。MBR 以兩個特殊數字（0xAA55）結束。這個數字會用來進行 MBR 的有效性檢查。

• Boot Loader就是stage1，通過內置的地址引導了stage1_5 的引導加載程序加載/boot分區，進而加載stage2。MBR中的Boot Loader備份在了 /boot/grub/stage1 中 

• 

• stage1_5在/boot/grub目錄，用于識別內核所在分區的文件系統類型，是Boot Loader所處的 stage1 加載 stage2 的過渡，在這之后才能進入Grub引導程序。

3、Grub引導程序處于stage2，通過讀取 /etc/grub.conf 文件，顯示出內核列表，指定了內核鏡像和 initrd 所在的分區為root，設定內核參數，并加載vmlinuz和initramfs這兩個文件到內存中。在這一階段可以編輯啟動項目如指定根分區root，內核kernel，initrd鏡像等；也可以進入grub command line手動寫啟動信息。

事實上，GRUB(GRand Unified Bootloader)管理開機啟動的過程分成了三個階段stage1/stage1.5/stage2。其中stage1主要負責BIOS和GRUB之間的交接。這部分才是真正放在MBR中的bootloader。而后stage1.5是連接stage1和stage2之間的通道，起著過渡的作用。最后才是GRUB中真正核心的部分stage2，它可以讓用戶以選項的方式將操作系統加載、修改選項和內核參數。

4、當內核映像被加載到內存中，并且stage2 的引導加載程序釋放控制權之后，內核階段就開始了，內核在完成自身的初始化之后進行探測可識別的所有硬件設備，由于內核中只包含了少量的硬件驅動，此時會借助內存中的initrd根文件系統加載相關驅動程序。當內核具備訪問根文件系統功能時，initrd根文件系統將被卸載，并掛載真正的根文件系統。這就是內核的初始化過程，系統已經脫離了 /boot 分區，獨立存活在內存中。

• vmlinuz-xxx內核鏡像是一個 zImage（壓縮映像，小于 512KB）或一個 bzImage（較大的壓縮映像，大于 512KB），它是使用 zlib 進行壓縮過的內核文件

• initramfs-xxx.img是由stage2 引導加載程序加載到內存中的，它會被復制到 RAM 中并掛載到系統上。這個 initrd 會作為 RAM 中的臨時根文件系統使用，并允許內核在沒有掛載任何物理磁盤的情況下完整地實現引導。initrd文件包括可加載模塊的驅動程序，為內核提供可訪問磁盤和磁盤上的文件系統的接口，并為其他硬件提供了驅動程序。由于根文件系統是磁盤上的一個文件系統，因此內核通過initrd取得根分區的訪問，并掛載真正的根文件系統。這是一個解包的initramfs鏡像文件：

• 內核非常小，rpm -ql kernel看到大部分驅動模塊都在安裝內核時放在了/lib/modules/version/目錄下，只有編譯內核過程中被選擇的模塊才會成為內核鏡像的一部分，還有一部分驅動模塊存放在initfd鏡像中，這些驅動模塊確保了Linux內核可以在眾多的架構上運行，并且兼容絕大多數硬件平臺。

5、內核初始化的最后一步就是啟動 init 進程。在init 以守護進程方式存在，是所有其他進程的祖先(PID=1)，init 進程非常獨特，能夠完成其他進程無法完成的任務。

• 在CentOS 5中使用 sysvinit 初始化系統：sysvinit 就是 system V 風格的 init 系統，顧名思義，就是源于 System V 系列 UNIX

• init 通過讀取 ‘/etc/inittab’ 文件完成系統初始化的過程：

. 系統選擇進入 runlevel

. 運行系統初始化腳本，即/etc/rc.d/rc.sysinit

. 運行指定運行級別對應的目錄下的腳本，即/etc/rc.d/rc#.d/目錄下的服務腳本

. 捕獲組合鍵的定義

. 定義電源 fail/restore 腳本

. 啟動 getty 和虛擬控制臺

• inittab文件 

字段定義格式及含義 id:runlevels:action:process 

. id：標識符 

. runlevels：在哪個級別運行此行 

. action：在什么情況下執行此行 

. process：要運行程序 

[action] 

. initdefault：設定默認運行級別 

. sysinit：系統初始化 

. wait：等待級別切換至此級別時執行 

. respawn：一旦程序終止，會重新啟動

• 選擇runlevel ：Sysvinit 讀取 ‘/etc/inittab’ 文件中是否含有 ‘initdefault’ 項，有則init 將啟動默認運行的模式。如果沒有默認的運行模式，將進入系統控制臺，手動決定進入何種運行模式。

• who -r 與 runlevel #查看當前的runlevel

• runlevel通常會 7 種模式，即runlevel 0 ~ 6 。 
  通常： 
  # 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)

• /etc/rc.d/rc.sysinit 

• 運行 rc.sysinit 以便執行一些重要的系統初始化任務。在RHEL 5中rc.sysinit 主要完成以下這些工作： 

• 激活 udev 和 selinux

• 設置定義在/etc/sysctl.conf 中的內核參數

• 設置系統時鐘

• 加載 keymaps

• 使能交換分區

• 設置主機名(hostname)

• 根分區檢查和 remount

• 激活 RAID 和 LVM 設備

• 開啟磁盤配額

• 檢查并掛載所有文件系統

• 清除過期的 locks 和 PID 文件

• /etc/rc.d/rc 和/etc/rc.d/rc#.d/ 

• rc是個腳本，后面接參數，如：l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5 ，這里的wait意味著init系統將等待rc啟動服務腳本。

• rc 根據 runlevel 執行rc#.d 目錄下啟動腳本。每個 runlevel 都有一個對應的 rc#.d 目錄

• 在這些目錄下存放著很多不同的腳本，文件名以 S 開頭的腳本表示在當前runlevel中啟動，K開頭的腳本表示不在當前runlevel中啟動

• 在/etc/rc.d/rc#.d 目錄下的腳本其實都是一些軟鏈接文件，真實的腳本文件存放在/etc/init.d 目錄下，也就是說在/etc/init.d目錄下的文件會自動以S##script或K##script的軟鏈接存在于各 runlevel 的目錄下

• chkconfig –levle comm off實質上就是把S##script 改成了 K##script文件。注意這里的數字是在腳本內部定義的。自定義服務腳本時，定義的S數字盡量大，以免依賴的服務還沒有啟動。當使用 init #命令切換runlevel時，有些服務被關閉，此時定義的K數字盡量小，在依賴服務關閉前停止。

• /etc/rc.d/rc.local 

• rc#.d/S99local文件沒有鏈接至/rc.d/init.d/而是rc#.d/S99local -> ../rc.local，因此，命令放置于/etc/rc.d/rc.local目錄可實現開機時自動運行，簡化了些服務腳本的過程。

• /sbin/mingetty，X Display Manager（如果需要的話） 

• init在等待/etc/rc.d/rc執行完畢之后，將在指定的各個虛擬終端上運行/sbin/mingetty，等待用戶的登錄。 至此，Linux的啟動完成

自定義服務腳本

#自定義服務腳本，使用 chkconfig 管理
[root@cent6]/etc/rc.d/init.d>cat testsrv 
 #!/bin/bash    
 #chkconfig:35 92 22    #默認啟動runlevel 3 5 ，S92testsrv ，K22testsrv
 #description:test service in /etc/rc.d/init.d/    #放在/etc/rc.d/init.d/自動鏈接至 0 - 6 runlevel
……
[ -x \$0 ]||chomd +x $0
#添加至服務列表
[root@cent6]~>chkconfig --add testsrt
#從服務列表刪除
[root@cent6]~>chkconfig --del testsrt

#確認當前testsrv啟動的runlevel
[root@cent6]/etc/rc5.d>chkconfig --list testsrv
testsrv         0:off   1:off   2:off   3:on    4:off   5:on    6:off
#選擇on的rc5.d/，此時有S92testsrv文件，并且是一個軟鏈接
[root@cent6]/etc/rc5.d>ll S92testsrv 
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 Aug 17 11:37 S92testsrv -> ../init.d/testsrv

#修改S92 為預定義的 K22 文件，目的是看看runlevel5是否仍然 on
[root@cent6]/etc/rc5.d>mv S92testsrv K22testsrv
#runlevel5已經是off，說明chkconfig off 等于創建 K 開頭的文件
[root@cent6]/etc/rc5.d>chkconfig --list testsrv
testsrv         0:off   1:off   2:off   3:on    4:off   5:off   6:off

#再次開啟 runlevel5的testsrv服務
[root@cent6]/etc/rc5.d>chkconfig --level 5 testsrv on
testsrv         0:off   1:off   2:off   3:on    4:off   5:on    6:off
#rc5.d/目錄下再次生成了S92testsrv文件
[root@cent6]/etc/rc5.d>ll S92testsrv 
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 Aug 17 11:37 S92testsrv -> ../init.d/testsrv

• Sysvinit 不僅需要負責初始化系統，還需要負責關閉系統。在系統關閉時，為了保證數據的一致性，需要小心地按順序進行結束和清理工作。比如應該先停止對文件系統有讀寫操作的服務，然后再 umount 文件系統，否則數據就會丟失。這種順序的控制這也是依靠/etc/rc.d/rc#.d/目錄下所有腳本的命名規則來控制的，在該目錄下所有以 K 開頭的腳本都將在關閉系統時調用，字母 K 之后的數字定義了它們的執行順序。這些腳本負責安全地停止服務或者其他的關閉工作。

Sysvinit 管理命令和控制功能

• halt、init、killall、last、lastb、mesg、pidof、poweroff、reboot、shutdown、runlevel、sulogin、telinit、utmpdump、wall

Sysvinit 小結

• sysvinit 的一個重要優點是確定的執行順序：腳本嚴格按照啟動數字的大小順序執行，一個執行完畢再執行下一個，有利于錯誤排查

• 串行地執行腳本導致 sysvinit 運行效率較慢，此外動態設備加載等 Linux 新特性體現出 sysvinit 的一些問題

補充：守護進程

• 獨立守護進程：就像上面的myservice一般能實現自我管理的守護進程

• 超級守護進程：xinetd服務，就像一個代理人，如管理telnet服務，雖然端口開著，但是服務沒有被激活

• 瞬時守護進程：不需要關聯至運行級別，以服務的方式被激活，由超級守護進程xinetd管理，可以認為這是Systemd的啟動方式

Upstart

• UpStart 主要的概念是 job 和 event。Job 就是一個工作單元，用來完成一件工作，比如啟動一個后臺服務，或者運行一個配置命令。每個 Job 都等待一個或多個事件，一旦事件發生，upstart 就觸發該 job 完成相應的工作。UpStart 解決了之前提到的 sysvinit 的缺點。采用事件驅動模型

• UpStart 可以： 
  更快地啟動系統 
  當新硬件被發現時動態啟動服務 
  硬件被拔除時動態停止服務

• 這些特點使得 UpStart 可以很好地應用在桌面或者便攜式系統，處理這些系統中的動態硬件插拔特性。

• 原inittab下的記錄 
  /etc/init/control-alt-delete.conf：快捷鍵重啟的腳本，建議注釋掉，防止誤操作 
  /etc/init/tty.conf：重啟終端腳本 
  /etc/init/start-ttys.conf：登錄終端腳本 
  /etc/init/rc.conf：啟動腳本 
  /etc/init/prefdm.conf：圖像界面腳本

Systemd

• CentOS 7 使用systemd替換了SysV。Systemd目的是要取代Unix時代以來一直在使用的init系統，兼容SysV和LSB的啟動腳本，而且夠在進程啟動過程中更有效地引導加載服務

• systemd的特性有： 
  支持并行化任務 
  同時采用socket式與D-Bus總線式激活服務； 
  按需啟動守護進程（daemon）； 
  利用 Linux 的 cgroups 監視進程； 
  支持快照和系統恢復； 
  維護掛載點和自動掛載點； 
  各服務間基于依賴關系進行精密控制。