CentOS系列启动流程详解

Posted 2021-02-09

一、Linux启动内核文件
1.Linux系统组成
动态视角：内核+根文件系统
静态视角：磁盘分区+相关文件
2.Kernel特点
(1)支持某块化：.ko (kernel object)文件
(2)支持模块运行时动态装载或卸载；
总结：Linux kernel在单内核设计模型上，吸取了多内核设计的优点，使用了模块化设计
单内核设计：把所有功能集成于同一个程序；如Linux
微内核设计：每种功能使用一个单独的子系统实现；如Windows, Solaris
3.kernel组成
(1)核心文件
1)/boot/vmlinuz-VERSION-release
注： “ vmlinuz ”最后一个z表示压缩格式的kernel文件
2)ramdisk(中间临时文件根系统，动态创建出来的，使用缓冲和缓存来加速对磁盘上的文件访问)
安装操作系统后临时生成的文件，能够扫描当前操作系统的硬盘驱动，装载对应的模块
用于实现系统初始化的基于内存的磁盘设备，把内存中的一段空间当内存使用
CentOS 5：/boot/initrd-VERSION-release.img
工具程序：mkinitrd
CentOS 6,7：/boot/initramfs-VERSION-release.img
工具程序：dracut, mkinitrd
注意：
a)不是必须的，当自编译内核时候知道硬盘接口时候将硬盘驱动编译进kernel，ramdisk就不用了
b)initrd,基于ramdisk的磁盘映像文件；initramfs,基于ramdisk的文件系统
initrd启动后用free查看memory时候，有一段空间被buffers和cached占用，二次缓存
把内存当磁盘使用就必须要在内存中缓存和缓冲，而当做文件系统则避免双缓冲双缓存
[[email protected] ~]# cd /boot
[[email protected] /boot]# ll
total 128764
-rw-r--r--. 1 root root 151918 Nov 9 07:43 config-3.10.0-957.el7.x86_64
drwx------. 3 root root 17 Nov 9 08:46 efi
drwxr-xr-x. 2 root root 27 Jan 3 22:02 grub
drwx------. 5 root root 97 Jan 3 22:22 grub2
-rw-------. 1 root root 74000291 Jan 3 22:18 initramfs-0-rescue-7d3c429a01ad4cf6be18b47612865dfd.img
-rw-------. 1 root root 29296849 Jan 3 22:22 initramfs-3.10.0-957.el7.x86_64.img
-rw------- 1 root root 11245847 Feb 11 17:03 initramfs-3.10.0-957.el7.x86_64kdump.img
-rw-r--r--. 1 root root 314036 Nov 9 07:43 symvers-3.10.0-957.el7.x86_64.gz
-rw-------. 1 root root 3543471 Nov 9 07:43 System.map-3.10.0-957.el7.x86_64
-rwxr-xr-x. 1 root root 6639904 Jan 3 22:18 vmlinuz-0-rescue-7d3c429a01ad4cf6be18b47612865dfd
-rwxr-xr-x. 1 root root 6639904 Nov 9 07:43 vmlinuz-3.10.0-957.el7.x86_64
[[email protected] /boot]# file initramfs-3.10.0-957.el7.x86_64.img
initramfs-3.10.0-957.el7.x86_64.img: ASCII cpio archive (SVR4 with no CRC)
(2)模块文件：/lib/modules/VERSION-release(与内核版本发行号相同的目录)/*
[[email protected] ~]# ls /boot
config-3.10.0-957.el7.x86_64
efi
grub
grub2
initramfs-0-rescue-7d3c429a01ad4cf6be18b47612865dfd.img
initramfs-3.10.0-957.el7.x86_64.img
initramfs-3.10.0-957.el7.x86_64kdump.img
symvers-3.10.0-957.el7.x86_64.gz
System.map-3.10.0-957.el7.x86_64
vmlinuz-0-rescue-7d3c429a01ad4cf6be18b47612865dfd
vmlinuz-3.10.0-957.el7.x86_64
[[email protected] ~]# ls /lib/modules/3.10.0-957.el7.x86_64/
build modules.builtin modules.modesetting source
extra modules.builtin.bin modules.networking updates
kernel modules.dep modules.order vdso
modules.alias modules.dep.bin modules.softdep weak-updates
modules.alias.bin modules.devname modules.symbols
modules.block modules.drm modules.symbols.bin
[[email protected] ~]# ls /lib/modules/3.10.0-957.el7.x86_64/kernel/
arch crypto drivers fs kernel lib mm net sound virt

[[email protected] ~]# ls /lib/modules/3.10.0-957.el7.x86_64/kernel/

arch ：与平台相关的特有代码，专有的汇编级的代码
crypto：加密解密组件
drivers：驱动程序
fs ：文件系统
kernel ：内核自己追踪用到的文件
lib：库文件
mm：内存管理功能，memory manage
net：网络功能
sound:和声音相关的驱动程序，单独放出来，因为有很多与声音相关的×××
virt：访问虚拟机
二、CentOS系列PC架构MBR主机启动流程
POST --> Boot Sequence(Bios) --> Boot Loader (MBR) --> Kernel(ramdisk) --> rootfs --> switchroot --> /sbin/init -->(/etc/inittab, /etc/init/.conf) --> 设定运行级别 --> 系统初始化脚本 --> 关闭或启动对应级别下的服务 --> 启动终端
1.POST：加电自检，检查硬件设备是否存在
用于实现POST的代码在主板上ROM(CMOS)芯片上
BIOS：Basic Input and Output System 基本上输入输出系统，固化在ROM芯片上
2.Boot Sequence：
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；
提供一个菜单，允许用户选择要启动的系统或不同的内核版本； 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；
(1)Windows上引导加载器：ntloader
(2)Linux上引导加载器：
1)LILO：短小精悍的linux加载器，1024柱面之后无法加载，现在多用于安卓手机启动
2)GRUB：Grand Uniform Bootloader统一引导加载器
GRUB 0.X(CentOS 5/6)：Grub Legacy
GRUB 1.X(CentOS 7)：Grub2,完全重写，设计理念上很大改变3.Kernel实现功能
kernel自身初始化，实现功能
---> 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）
---> 以只读方式挂载根文件系统；
---> 运行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init
4./sbin/init管理用户空间服务进程
init程序的在不同CentOS版本上类型：
CentOS 5及以前：SysV init 配置文件：/etc/inittab
CentOS 6：Ubantu研发的Upstart 配置文件：/etc/inittab /etc/init/.conf
CentOS 7：Systemd 配置文件：/usr/lib/systemd/system/, /etc/systemd/system/
(1)CentOS 5：
SysV init，配置文件：/etc/inittab

[[email protected] ~]# cat /etc/inittab
id:3:initdefault: 此处 表示默认启动级别为3文本界面，不能为0级别
/etc/inittab文件：每行定义一种action 以及与之对应的process
格式：id:runlevels:action:process
id：一个任务的标识符；
runlevels：在哪些级别启动此任务；#，###，若此处为空则表示所有级别；
action：在什么条件下启动此任务；
wait：等待切换至此任务所在的级别时执行一次；
respawn：再次发起；此任务终止，就自动重新启动；
initdefault：设定默认运行级别；此时process会省略，不是设定任务，而是默认启动级别；
sysinit：设定系统初始化方式，此处一般为指定/etc/rc.d/rc.sysinit脚本(CentOS5和6用到，7无)；
process：任务；
(2)CentOS 6：
init程序：upstart，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upstart风格的配置文件；各功能切割成片段

init-system-dbus.conf：主要在哪儿启动服务的配置文件
rcS.conf: 系统初始化脚本
start-ttys.conf：启动时的终端数量
rc.conf：启动服务的配置文件
更改默认tty数量文件： [[email protected] init]# cat start-ttys.conf

(3)CentOS 7：不需要任何启动脚本
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systemctl命令来控制服务；

systemctl {start|stop|restart|status} name[.service]

5.启动运行级别初始化控制：/etc/rc.d/rc#.d
(1)系统运行级别：为了系统的运行或维护等目的而设定的机制；
0-6：共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(mutli 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
1) 默认级别：3, 5
2) 级别切换：init #
3) 级别查看命令：who -r ； runlevel
(2)/etc/rc.d目录
1)rc #脚本：接受一个运行级别数字为参数；当级别切换时启动或关闭服务
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，越是优先启动；被依赖的服务先启动，而依赖的服务后启动；
注意：按照glob通配，数字越小排在前面

2)/etc/rc.d/rc脚本框架(vim /etc/rc.d/rc)
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

(3)/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}

       chkconfig命令：
              管理控制/etc/init.d/每个服务脚本在各级别下的启动或关闭状态；
      1) 查看：chkconfig  --list   [name]

2) 添加：chkconfig --add name
3) 删除：chkconfig --del name
4) 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；
5) 能被添加的服务的脚本定义格式：
#!/bin/bash
#

chkconfig: ### ## ## ======注释：运行级别、启动优先级、关闭优先级======

description:

(4)/etc/rc.d/rc.local脚本：开机自动读取此文件中命令
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 （/etc/rc.local）脚本；
因此，不便或不需写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。

6.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) 检测根文件系统，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文件来设置内核参数；
(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；
7.启动终端
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；

启动开机流程总结：
内核级别：

1. POST做开机启动时候的硬件检测功能
   2.BootSequence(BIOS)启动加载主引导分区MBR中的引导加载器程序BootLoader
   在LInux现行的BootLoader是三段划分(打破446字节限制)的GRUB程序，
   第一段写在BootLoader中
   1.5段在其后扇区用于文件系统的引导
   2段在boot/grub中提供国土部接口和调用系统内核kernel
   3.Kernel识别硬件、加载驱动、只读挂载根文件系统、同时交付给用户空间第一个程序/sbin/init
   此处特别要注意，系统发行商为了适应多种硬件接口驱动调用，会在第一次安装系统时候，自动识别硬件接口，并调用唯一驱动程序来生成ramdisk文件，以内存当磁盘做虚根，驱动接口后会切换到真实的根文件系统上
   CentOS 5系列是initrd，当磁盘映像文件会造成二次缓存缓冲
   CentOS 6/7系列改进为initramfs，以文件系统形式可以不二次占用缓存和缓冲
   用户空间级别
   4./sbin/init接管后更具其配置文件来初始化
   5.更具/sbin/init中的配置会设置默认运行级别，以及一些在/etc/init.d/设置的开机服务
   6./etc/rc.d/rc.sysinit运行系统初始化脚本，完成系统初始化
   7.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
   8.设置登录终端 [--> 启动图形终端]