Linux之Centos系統的啟動流程詳述

概述

了解系統的啟動流程，有助于我們了解Linux系統上的一些工作原理，有助于我們深入的理解一個系統的運作方式，那么本篇就以CentOS6系統為例，介紹一下有關Linux系統啟動相關的內容，分為一下幾個部分

1、Linux系統的一些基礎概念

2、CentOS6上的啟動流程概述

第一章 Linux系統的一些基礎概念

Linux系統的組成部分:內核(kernel)+根文件系統(rootfs)
    rootfs:程序和glibc(GNU發布的libc庫)
        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:二進制執行程序

    內核:進程管理、內存管理、網絡協議棧、文件系統、驅動程序、安全功能
        進程的通信
            IPC:Inter Process Communication
            消息隊列、semerphor、shm(共享內存):本地的通信機制
            socket:跨主機的通信機制

運行中的系統環境可分為兩層:內核空間、用戶空間
    用戶空間:應用程序(進程或線程)
    內核空間:內核代碼(系統調用)

內核設計流派:
    單內核設計:把所有的功能集成與同一個程序;
        Linux
    微內核設計:每種功能使用一個單獨的子系統實現;
        Windows、Solaris

Linux內核特點:
    支持模塊化: .ko(kernel object)
        如:文件系統,硬件驅動,網絡協議等
    支持模塊運行時動態裝載或卸載;

啟動分區:/boot
    rootfs:遵循FHS目錄結構
    如:/bin ,/sbin./lib,/etc,/etc,/proc,/sys,/dev,/boot

    組成部分:
        核心文件:/boot/vmlinuz-VERSION-release
            在www.kernel.org的官方站點有各種內核版本
                mainline:開發版本
                stable:穩定版本
                longterm:長期維護版本
ramdisk(輔助的偽根系統):系統在啟動時,根文件系統一定是在某個磁盤分區上,而內核如果沒有編譯該文件系統的相關驅動,就會導致系統無法正常啟動;并且內核需要夾在的各種模塊文件,其都在/lib/modules/目錄下,此目錄也必然是在根目錄下,而根無法驅動,也會造成模塊無法正常運行,進而不能進入系統.此時ramdisk的作用就體現出來,因為ramdisk是在/boot目錄下,/boot目錄是有grub的1.5階段進行驅動的,它的作用就是一個偽根系統,內核在啟動之后會驅動他到內存中,來對系統中的相關驅動和模塊進行啟動和運行,等待所有任務執行之后就會切換給真正磁盤根目錄.
    Centos5:/boot/initrd-VERSION-release.img
    Centos 6,7:/boot/initramfs-VERSION-release.img
        模塊文件:/lib/modules/VERSION-release
             如果安裝了多個內核版本，則對應的目錄下就有多個文件，或多個目錄

第二章 Centos系統的啟動流程

POST(Power On Self Test):加電自檢;
    自檢主要是檢測一下硬件設備是否存在并且正常運行;這些自檢的功能是有一個軟件程序來實現的,這個軟件程序就是BIOS;
    ROM:CMOS
        BIOS:Basic Input and Output System
            BIOS即基本輸入輸出系統,他是裝載與一個硬件芯片CMOS之上.
    ROM+RAM

Boot Sequence(MBR):
    按次序查找各引導設備,第一個有引導程序的設備即為本次啟動要用到的設備;

    bootloader:引導加載器,程序;
    linux:
        LILO:LInux LOader
        GRUB:Grand Uniform Bootloader
            GRUB 0.X:Grub legacy
            GRUB 1.X:Grub2
        功能:提供一個菜單,允許用戶選擇要啟動的系統或不通的內核版本;把用戶選定的內核裝載到RAM中的特定空間中,解壓,展開,而后把系統控制權移交給內核;

    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)
            以只讀方式掛載跟文件系統;
            運行用戶空間的第一個應用程序:/sbin/init

        init程序的類型:
            Centos 5-:SysV init
                配置文件:/etc/inittab
                    每行定義一種action以及與之對應的process
                        id:runlevels:action:process
                            id:一個任務的標識符;
                            runlevels:在哪些級別下啟動此任務;(#,###,也可以為空,表示所有級別)
                            action:在什么條件下啟動此任務;
                                walt:等待切換至此任務所在的級別時執行一次;
                                respawn:一旦此任務終止,則自動重新啟動之;
                                initdefault:設定默認運行級別;此時,process省略;
                                sysinit:設定系統初始化方式,此處一般為指定/etc/rc.d/rc.sysinit腳本;
                                    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
                                        意味著去啟動或者關閉/etc/rc3.d/目錄下的服務腳本所控制的服務;
                                        K*:要停止的服務;K##*:優先級,數字越小,越是優先關閉;依賴的服務先關閉;而后關閉被依賴的;
                                        S*:要啟動的服務;S##*:優先級,數字越小,越是優先開啟;被依賴的服務先啟動;而依賴的服務后啟動;
                                        rc腳本:接受一個運行級別數字為參數;
                                            腳本框架:
                                                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/*)腳本執行方式:
                                                # /etc/init.d/SRV_SCRIPT {start|stop|restart|status}
                                                # service SRV_SCRIPT {start|stop|restart|status}
                            process:任務;

            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內核的特性之一:使用緩沖和緩存來加速對磁盤上的文件訪問;

                ramdisk-->ramfs

                Centos 5:initrd
                    工具程序:mkinitrd

                Centos 6,7:initramfs
                    工具程序:dracut,mkinitrd

    系統初始化流程(內核級別):
        POST-->BootSequence(BIOS)-->BootLoader(MBR)-->kernel(ramdisk)-->rootfs(readonly)-->/sbin/init()

        /sbin/init:

            Centos 5: SysV init

                運行級別:為了系統的運行或維護等目的設定的機制;
                    0-6:7個級別
                    0:關機,shutdown
                    1:單用戶模式(single user),root用戶,無須認證,維護模式;
                    2:多用戶模式(multi user),會啟動網絡功能,但不會啟動NFS;維護模式
                    3:多用戶模式(multi user),完全功能模式;文本界面;
                    4:預留級別:目前無特別使用目的,但習慣以同3級別功能使用;
                    5:多用戶模式(multi user),完全功能模式;圖形界面
                    6:重啟,reboot

                默認級別:3,5
                    對于服務器一般為3,個人使用為5;

                級別切換: init #

                級別查看:
                    who -r
                    runlevel 
                        N表示上一次級別

chkconfig命令:管控/etc/init.d/每個服務腳本在各級別下的啟動或關閉狀態;
    查看: chkconfig --list [name]

    添加: chkconfig --add name
        能添加的服務的腳本定義格式之一:
            #!/bin/bash
            #
            #chkconfig LLL KK SS
            #description:
                LLL:運行在哪些級別之上
                KK:停止的優先級
                SS:啟動的優先級
        能添加的服務的腳本定義格式之二
           ### 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
    刪除:chkconfig --del name

    修改指定的鏈接類型:
        chkconfig [--level LEVELS] name <on|off|reset>
            --level LEVELS:指定要控制的級別;默認為2345

注意:正常級別下,最后啟動的一個服務S99local沒有鏈接至/etc/init.d下的某腳本,而是鏈接至了/etc/rc.d/rc.local腳本;為服務腳本的程序期望能開機自動運行時,直接放置于此腳本文件中即可

    tty1:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty1
    ....
    tty6:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty6
        (1)mingetty會調用login程序;
        (2)打開虛擬終端的程序除了mingetty之外,還有諸如getty等;

總結(用戶空間的啟動流程):/sbin/init(/etc/inittab)
    設置默認運行級別-->運行系統初始化腳本,完成系統初始化-->關閉對應級別下需要停止的服務,啟動對應級別下需要開啟的服務-->設置登錄終端[-->啟動圖形終端]

    系統初始化腳本:/etc/rc.d/rc.sysinit
        (1)設置主機名;
        (2)設置歡迎信息;
        (3)激活udev和selinux;
        (4)掛載/etc/fstab文件中定義的所有文件系統;
        (5)檢測跟文件系統,并以讀寫方式重新掛載根文件系統;
        (6)設置系統時鐘;
        (7)根據/etc/sysctl.conf文件的設置,來設定內核參數;
        (8)激活lvm及軟raid設備;
        (9)激活swap設備;
        (10)加載額外設備的驅動程序;
        (11)清理操作; 

Centos 6:
    init程序:upstat,但依然為/sbin/init,其配置文件:
        /etc/init/*.conf,/etc/inittab(僅用于定義默認運行級別)
            注意:*.conf為upstat風格的配置文件;
                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腳本機制,因此,service命令依然可用;不過,建議使用systemct命令來控制服務;
        #systemctl {start|stop|restart|status} name[.service]

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