CentOS系統啟動流程

   開機不是只要單擊電源鈕，而關機只要關掉電源鈕就可以了嗎？話是這樣沒錯啦，但是由于 Linux 是一套多人多任務的操作系統，你難保你在關機時沒有人在在線，如果你關機的時候碰巧一大群人在在線工作， 那會讓當時在在線工作的人馬上斷線的！那不是害死人了！一些數據可是無價之寶。 

  另外 Linux 在執行的時候，雖然你在畫面上叧會看到黑壓壓的一片，完全沒有任何畫面， 但其實他是有很多的程序在背景底下執行的，例如登錄文件管控程序、例行性工作排程等， 當然還有一大堆網絡服務，如郵件服務器、WWW服務器等等。你如果隨便關機的話， 是很容易傷害硬盤及數據傳輸的操作！所以在 Linux 下開機關機可是一門大學問。

Linux的組成為: kernel + rootfs

kernel: 進程管理、內存管理、網絡管理、驅動程序、文件系統、安全功能

rootfs: 程序和glibc

  庫：函數集合, function, 調用接口（頭文件負責描述）

    過程調用：procedure，無返回值

    函數調用：function

  程序：二進制執行文件

內核設計流派：

  單內核(monolithic kernel)：Linux

    把所有功能集成于同一個程序

  微內核(micro kernel)：Windows, Solaris

    每種功能使用一個單獨子系統實現

Linux內核特點：

  支持模塊化：.ko（內核對象）

    如：文件系統，硬件驅動，網絡協議等

  支持內核模塊的動態裝載和卸載

 組成部分：

  核心文件：/boot/vmlinuz-VERSION-release

    ramdisk：輔助的偽根系統

    CentOS 5: /boot/initrd-VERSION-release.img

    CentOS6,7: /boot/initramfs-VERSION-release.img

  模塊文件：/lib/modules/VERSION-release

既然啟動是一件嚴肅的事情，那我們就一起來了解一下啟動的過程：

系統啟動過程簡介：

1、加載BIOS的硬件信息與進行自我檢測，并依據設置取得第一個可啟動的設備；

2、讀取并執行第一個啟動設備內的MBR的 boot loader （既是grub,spfdisk等程序）；

3、依據boot loader的設置加載Kernel, kernel會開始檢測硬件與加載驅動程序；

4、在硬件驅動成功后，Kernel會主動調動init進程，而init會取得run-level信息；

5、init執行/etc/rc.d/rc.sysinit文件來準備軟件執行的操作環境（如網絡、時區等）；

6、init執行run-level的各個服務的啟動（script方式）；

7、init執行/etc/rc.d/rc.local文件；

8、init執行終端機模擬程序mingetty來啟動login程序，最后等待用戶登錄。

詳細說明：

1、加載BIOS的硬件信息與進行自我檢測，并依據設置取得第一個可啟動的設備；

   啟動系統首先就要加載BIOS，并通過BIOS加載CMOS的信息，然后通過CMOS內的設置取得主機的各項硬件配置信息。

   然后進行開機自檢POST(Power-on Self Test)。開始執行硬件檢測的初始化。接下來就開始啟動設備的數據讀取。

  POST：Power-On-Self-Test，加電自檢，是BIOS功能的一個主要部分。負責完成對CPU、主板、內存、硬盤子系統、顯示子系統、串并行接口、鍵盤、CD-ROM光驅等硬件情況的檢測。

    ROM：BIOS（Basic Input and Output System)，保存著有關計算機系統最重要的基本輸入輸出程序，系統信息設置、開機加電自檢程序和系統啟動自舉程序等。

    RAM：CMOS互補金屬氧化物半導體，保存各項參數的設定,按次序查找引導設備，第一個有引導程序的設備為本次啟動設備

2、讀取并執行第一個啟動設備內的MBR的 boot loader

  因為系統軟件都存放在硬盤當中，所以BIOS會指定啟動的設備，讓我們可以讀取到系統的內核文件，由于不同的操作系統的文件系統格式不同，所以必須要以一個引導裝載程序來處理內核文件的加載問題。這個程序就被成為boot loader。而boot loader程序就安裝在啟動設別的第一個扇區內，也就是MBR內。

思考：這里有一個有趣的問題：

    既然內核文件需要loader來讀取，每個操作系統的loader都不相同，那么BIOS是怎么找到MBR內的loader呢？

   其實BIOS是通過硬件的INT 13 中斷功能來讀取MBR的，只要BIOS可以檢測到你的磁盤，那么他就可以通過INT 13 來讀取該磁盤中第一個扇區內的MBR中的信息，這樣就可以執行boot loader了。

bootloader: 引導加載器，引導程序

    ①提供菜單，用戶可以選擇不同的啟動項，這也是多重引導的重要功能；

    ②加載內核文件：直接指向可啟動的程序區段來開始啟動操作系統；

    ③轉交其他的loader：將引導程序轉交給其他的loader來執行；

 因為具有菜單的功能，所以我們可以現在不同的內核來啟動系統；也因為具有轉交給其他的loader的功能，所以可以實現，一機多系統。

  但是：

    windows: ntloader，僅是啟動OS ；windows默認沒有控制權轉交的功能，

    Linux：功能豐富，提供菜單，允許用戶選擇要啟動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

  所以，要實現多系統，只能先裝windows，再裝linux，因為linux可以把引導轉載程序的控制權交給windows來管理。此時的windows的loader就會接管啟動流程，這樣就可以加載內核文件了。

3、依據boot loader的設置加載Kernel, kernel會開始檢測硬件與加載驅動程序；

  linux會將內核解壓縮到內存中，并且利用內核的功能來開始測試與驅動各個周邊的設備，包括CPU，存儲設備，網卡等。同時內核也會對自己的功能重新檢測一下硬件。而不一定會使用BIOS檢測到的硬件信息，也就是說，從此時開始內核開始完全接管BIOS后的工作。

  那么內核文件存放在哪里呢？

    一般來說內核文件存放在/boot下，并且取名為vmlinuz 

• config-2.6.32-642.el6.x86_64 ：此版本內核被編譯時選擇的功能和模塊配置文件；

• grub：引導裝載程序 grub 相關數據目錄

• System.map-2.6.32-642.el6.x86_64：內核功能放置到內存地址的對應表

• initramfs-2.6.32-642.el6.x86_64.img：虛擬文件系統文件

• vmlinuz-2.6.32-642.el6.x86_64：內核文件！

  根據這些文件的名字，我們也可以知道此版本的linux內核為2.6.32-642.el6.x86_64這個版本，因為linux內核是可以通過動態加載內核模塊的(即驅動程序)，這些模塊存放在/lib/modules/目錄內。由于模塊放置在磁盤根目錄內，因此在啟動的過程中內核必須要掛載根目錄，這樣才能讀取到內核模塊提供的加載驅動程序的功能。

  為了防止影響到磁盤內文件系統，因此啟動的過程中根目錄是以只讀的形式掛載的。

  bootloader是系統的啟動加載器。通常情況下，引導程序都安裝在bootloader中。以我們常見的grup為例，grub分為stage1，stage1.5，stage2。其中stage1的代碼是直接存放在mbr中的。當BIOS將控制權傳遞給MBR后，stage1的代碼就開始運行，它主要負責將stage1.5或者stage2的內容加載在內存中。stage2被加載到內存中后，就會讀取grub的配置文件grub.conf

  思考： 現在就遇到一個問題，內核并不認識設備，所以需要去加載驅動程序，但是驅動程序都在/lib/modules/目錄內，而根目錄現在根本就沒辦法掛載，那是怎么讀取到/lib/modules/目錄內的驅動程序的？

  在這種情況下，linux系統是依靠虛擬文件系統來解決這個問題的，

虛擬文件系統（initialRAM disk）：

  一般文件名為："/boot/initramfs-版本號.img" 這個文件能夠通過boot loader加載到內存中，然后被仿真成一個根目錄，且仿真文件系統內有一個可執行的程序，可以通過該程序加載啟動過程中最需要的內核模塊，通常這些模塊就是RAID,LVM等文件系統與磁盤接口的驅動程序。載入完成之后，會幫助內核重新調用/sbin/init/來開始后續的流程。。。

系統初始化過程：

POST –> BootSequence(BIOS) –> Bootloader(MBR) –> kernel(ramdisk) –> rootfs(只讀) –> init（systemd）

4、在硬件驅動成功后，Kernel會主動調動init進程，而init會取得run-level信息；

加載完畢后，內核會主動調用第一個進程，“/sbin/init”,它的功能就是準備軟件執行的環境。所有的操作都會通過init的配置文件即/etc/inittab來規劃，而inittab中有一個很重要的設置選項，那就是默認的run level（運行級別）。

運行級別：為系統運行或維護等目的而設定；0-6：7個級別

0：關機

1：單用戶模式(root自動登錄), single, 維護模式

2: 多用戶模式，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；可同3級別

5：多用戶模式，正常模式；圖形界面

6：重啟

默認級別：3, 5

切換級別：init #

查看級別：runlevel; who -r

init讀取其初始化文件：/etc/inittab

初始運行級別(RUN LEVEL)

系統初始化腳本

對應運行級別的腳本目錄

捕獲某個關鍵字順序

定義UPS電源終端/恢復腳本

在虛擬控制臺生成getty

在運行級別5初始化X

5、init執行/etc/rc.d/rc.sysinit文件來準備軟件執行的操作環境（如網絡、時區等）；

   /etc/inittab文件中有這一句“ si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit ” 這表示：開始加載各項系統服務之前，得先做好整個系統環境，主要利用 /etc/rc.d/rc.sysinit 這腳本來設置好系統環境的，所以，想要知道到底 CentOS 開機的過程當中做什么動作，就得要仔細的分析 /etc/rc.d/rc.sysinit這個文件  

/etc/rc.d/rc.sysinit: 系統初始化腳本

(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

6、init執行run-level的各個服務的啟動（script方式）；

   加載內核讓整個系統準備接受指令來工作，再經過 /etc/rc.d/rc.sysinit 的系統模塊與相關硬件信息的初始化后，你的 CentOS 系統應該已經順利工作了。 

   只是，我們還需要啟動系統所需要的各項服務，這樣主機才能提供相關的網絡或者是主機功能。這個時候，依據在 /etc/inittab 里面提到的 run level 設定值，就可以來決定啟動的服務項目了。

   舉例來說，使用 run level 3 當然就不需要啟動X Window 的相關服務。

  各個不同的 run level 服務啟動的各個腳本地址存放在“/etc/inittab”里；

說明：rcN –> 意味著讀取/etc/rc.d/rcN.d/

K*: K##*：##運行次序；數字越小，越先運行；數字越小的服務，通常為依賴到別的服務

S*: S##*：##運行次序；數字越小，越先運行；數字越小的服務，通常為被依賴到的服務

for srvin /etc/rc.d/rcN.d/K*; do
  $srv stop
done

for srvin /etc/rc.d/rcN.d/S*; do
   $srv start
done

7、init執行/etc/rc.d/rc.local文件；

   在完成默認 runlevel 指定的各項服務后，如果還有其他的動作想要完成時，這個檔案就可以執行自己想要執行的系統指令了。 也就是說，有任何想要在開機時就進行的工作時，直接將他寫入 /etc/rc.d/rc.local ， 那么該工作就會在開機的時候自動被加載。而不必等登入系統去啟動。

注意：正常級別下，最后啟動一個服務S99local沒有鏈接至/etc/rc.d/init.d一個服務腳本，而是指向/etc/rc.d/rc.local腳本

不便或不需寫為服務腳本放置于/etc/rc.d/init.d/目錄，且又想開機時自動運行的命令，可直接放置于/etc/rc.d/rc.local文件中

 /etc/rc.d/rc.local在指定運行級別腳本后運行

 可以根據情況，進行自定義修改

8、init執行終端機模擬程序mingetty來啟動login程序，最后等待用戶登錄。

在完成了系統所有服務的啟動后，接下來 Linux 就會啟動終端機或者是 X Window 來等待使用者登入啦！ 實際參考的項目是 /etc/inittab 內的這一段：

  這一段代表，在 run level 2, 3, 4, 5 時，都會執行 /sbin/mingetty ， 而且執行六個，這也是為何我們 Linux 會提供”六個純文本終端機“的設定所在。 因為 mingetty 就是在啟動終端機的命令。 

  要注意的是那個 respawn 的 init 操項目，他代表當后面的指令被終止 (terminal) 時， init 會主動的重新啟動該項目。這也是為何我們登入 tty1 終端機接口后，以 exit 離開后， 系統還是會重新顯示等待用戶輸入的畫面的原因。 

  如果我們使用的是 run level 5 那么除了這六個終端機之外， init 還會執行 /etc/X11/prefdm -nodaemon 那個指令， 他主要的功能就是在啟動 X Window 。 

CentOS 6啟動流程：

POST –> Boot Sequence(BIOS) –> Boot Loader –> Kernel(ramdisk) –> rootfs–> switchroot–> /sbin/init–>(/etc/inittab, /etc/init/*.conf) –> 設定默認運行級別–> 系統初始化腳本rc.sysinit–> 關閉或啟動對應級別的服務–> 啟動終端

簡單圖示即為：