CentOS系统启动流程

Posted 2020-08-08

   开机不是只要单击电源钮，而关机只要关掉电源钮就可以了吗？话是这样没错啦，但是由于 Linux 是一套多人多任务的操作系统，你难保你在关机时没有人在在线，如果你关机的时候碰巧一大群人在在线工作， 那会让当时在在线工作的人马上断线的！那不是害死人了！一些数据可是无价之宝。 

  另外 Linux 在执行的时候，虽然你在画面上叧会看到黑压压的一片，完全没有任何画面， 但其实他是有很多的程序在背景底下执行的，例如登录文件管控程序、例行性工作排程等， 当然还有一大堆网络服务，如邮件服务器、WWW服务器等等。你如果随便关机的话， 是很容易伤害硬盘及数据传输的操作！所以在 Linux 下开机关机可是一门大学问。

Linux的组成为: kernel + rootfs

kernel: 进程管理、内存管理、网络管理、驱动程序、文件系统、安全功能

rootfs: 程序和glibc

  库：函数集合, function, 调用接口（头文件负责描述）

    过程调用：procedure，无返回值

    函数调用：function

  程序：二进制执行文件

内核设计流派：

  单内核(monolithic kernel)：Linux

    把所有功能集成于同一个程序

  微内核(micro kernel)：Windows, Solaris

    每种功能使用一个单独子系统实现

Linux内核特点：

  支持模块化：.ko（内核对象）

    如：文件系统，硬件驱动，网络协议等

  支持内核模块的动态装载和卸载

 组成部分：

  核心文件：/boot/vmlinuz-VERSION-release

    ramdisk：辅助的伪根系统

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

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

  模块文件：/lib/modules/VERSION-release

既然启动是一件严肃的事情，那我们就一起来了解一下启动的过程：

系统启动过程简介：

1、加载Bios的硬件信息与进行自我检测，并依据设置取得第一个可启动的设备；

2、读取并执行第一个启动设备内的MBR的 boot loader （既是grub,spfdisk等程序）；

3、依据boot loader的设置加载Kernel, kernel会开始检测硬件与加载驱动程序；

4、在硬件驱动成功后，Kernel会主动调动init进程，而init会取得run-level信息；

5、init执行/etc/rc.d/rc.sysinit文件来准备软件执行的操作环境（如网络、时区等）；

6、init执行run-level的各个服务的启动（script方式）；

7、init执行/etc/rc.d/rc.local文件；

8、init执行终端机模拟程序mingetty来启动login程序，最后等待用户登录。

详细说明：

1、加载BIOS的硬件信息与进行自我检测，并依据设置取得第一个可启动的设备；

   启动系统首先就要加载BIOS，并通过BIOS加载CMOS的信息，然后通过CMOS内的设置取得主机的各项硬件配置信息。

   然后进行开机自检POST(Power-on Self Test)。开始执行硬件检测的初始化。接下来就开始启动设备的数据读取。

  POST：Power-On-Self-Test，加电自检，是BIOS功能的一个主要部分。负责完成对CPU、主板、内存、硬盘子系统、显示子系统、串并行接口、键盘、CD-ROM光驱等硬件情况的检测。

    ROM：BIOS（Basic Input and Output System)，保存着有关计算机系统最重要的基本输入输出程序，系统信息设置、开机加电自检程序和系统启动自举程序等。

    RAM：CMOS互补金属氧化物半导体，保存各项参数的设定,按次序查找引导设备，第一个有引导程序的设备为本次启动设备

2、读取并执行第一个启动设备内的MBR的 boot loader

  因为系统软件都存放在硬盘当中，所以BIOS会指定启动的设备，让我们可以读取到系统的内核文件，由于不同的操作系统的文件系统格式不同，所以必须要以一个引导装载程序来处理内核文件的加载问题。这个程序就被成为boot loader。而boot loader程序就安装在启动设别的第一个扇区内，也就是MBR内。

思考：这里有一个有趣的问题：

    既然内核文件需要loader来读取，每个操作系统的loader都不相同，那么BIOS是怎么找到MBR内的loader呢？

   其实BIOS是通过硬件的INT 13 中断功能来读取MBR的，只要BIOS可以检测到你的磁盘，那么他就可以通过INT 13 来读取该磁盘中第一个扇区内的MBR中的信息，这样就可以执行boot loader了。

bootloader: 引导加载器，引导程序

    ①提供菜单，用户可以选择不同的启动项，这也是多重引导的重要功能；

    ②加载内核文件：直接指向可启动的程序区段来开始启动操作系统；

    ③转交其他的loader：将引导程序转交给其他的loader来执行；

 因为具有菜单的功能，所以我们可以现在不同的内核来启动系统；也因为具有转交给其他的loader的功能，所以可以实现，一机多系统。

  但是：

    windows: ntloader，仅是启动OS ；windows默认没有控制权转交的功能，

    Linux：功能丰富，提供菜单，允许用户选择要启动系统或不同的内核版本；把用户选定的内核装载到内存中的特定空间中，解压、展开，并把系统控制权移交给内核

  所以，要实现多系统，只能先装windows，再装linux，因为linux可以把引导转载程序的控制权交给windows来管理。此时的windows的loader就会接管启动流程，这样就可以加载内核文件了。

  

3、依据boot loader的设置加载Kernel, kernel会开始检测硬件与加载驱动程序；

  linux会将内核解压缩到内存中，并且利用内核的功能来开始测试与驱动各个周边的设备，包括CPU，存储设备，网卡等。同时内核也会对自己的功能重新检测一下硬件。而不一定会使用BIOS检测到的硬件信息，也就是说，从此时开始内核开始完全接管BIOS后的工作。

  那么内核文件存放在哪里呢？

    一般来说内核文件存放在/boot下，并且取名为vmlinuz 

• config-2.6.32-642.el6.x86_64 ：此版本内核被编译时选择的功能和模块配置文件；

• grub：引导装载程序 grub 相关数据目录

• System.map-2.6.32-642.el6.x86_64：内核功能放置到内存地址的对应表

• initramfs-2.6.32-642.el6.x86_64.img：虚拟文件系统文件

• vmlinuz-2.6.32-642.el6.x86_64：内核文件！

 

 

  根据这些文件的名字，我们也可以知道此版本的linux内核为2.6.32-642.el6.x86_64这个版本，因为linux内核是可以通过动态加载内核模块的(即驱动程序)，这些模块存放在/lib/modules/目录内。由于模块放置在磁盘根目录内，因此在启动的过程中内核必须要挂载根目录，这样才能读取到内核模块提供的加载驱动程序的功能。

  为了防止影响到磁盘内文件系统，因此启动的过程中根目录是以只读的形式挂载的。

  

  bootloader是系统的启动加载器。通常情况下，引导程序都安装在bootloader中。以我们常见的grup为例，grub分为stage1，stage1.5，stage2。其中stage1的代码是直接存放在mbr中的。当BIOS将控制权传递给MBR后，stage1的代码就开始运行，它主要负责将stage1.5或者stage2的内容加载在内存中。stage2被加载到内存中后，就会读取grub的配置文件grub.conf

  

  思考： 现在就遇到一个问题，内核并不认识设备，所以需要去加载驱动程序，但是驱动程序都在/lib/modules/目录内，而根目录现在根本就没办法挂载，那是怎么读取到/lib/modules/目录内的驱动程序的？

  在这种情况下，linux系统是依靠虚拟文件系统来解决这个问题的，

虚拟文件系统（initialRAM disk）：

  一般文件名为："/boot/initramfs-版本号.img" 这个文件能够通过boot loader加载到内存中，然后被仿真成一个根目录，且仿真文件系统内有一个可执行的程序，可以通过该程序加载启动过程中最需要的内核模块，通常这些模块就是RAID,LVM等文件系统与磁盘接口的驱动程序。载入完成之后，会帮助内核重新调用/sbin/init/来开始后续的流程。。。

系统初始化过程：

POST --> BootSequence(BIOS) --> Bootloader(MBR) --> kernel(ramdisk) --> rootfs(只读) --> init（systemd）

  

4、在硬件驱动成功后，Kernel会主动调动init进程，而init会取得run-level信息；

加载完毕后，内核会主动调用第一个进程，“/sbin/init”,它的功能就是准备软件执行的环境。所有的操作都会通过init的配置文件即/etc/inittab来规划，而inittab中有一个很重要的设置选项，那就是默认的run level（运行级别）。

运行级别：为系统运行或维护等目的而设定；0-6：7个级别

0：关机

1：单用户模式(root自动登录), single, 维护模式

2: 多用户模式，启动网络功能，但不会启动NFS；维护模式

3：多用户模式，正常模式；文本界面

4：预留级别；可同3级别

5：多用户模式，正常模式；图形界面

6：重启

默认级别：3, 5

切换级别：init #

查看级别：runlevel; who -r

init读取其初始化文件：/etc/inittab

初始运行级别(RUN LEVEL)

系统初始化脚本

对应运行级别的脚本目录

捕获某个关键字顺序

定义UPS电源终端/恢复脚本

在虚拟控制台生成getty

在运行级别5初始化X

5、init执行/etc/rc.d/rc.sysinit文件来准备软件执行的操作环境（如网络、时区等）；

   /etc/inittab文件中有这一句“ si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit ” 这表示：开始加载各项系统服务之前，得先做好整个系统环境，主要利用 /etc/rc.d/rc.sysinit 这脚本来设置好系统环境的，所以，想要知道到底 CentOS 开机的过程当中做什么动作，就得要仔细的分析 /etc/rc.d/rc.sysinit这个文件  

/etc/rc.d/rc.sysinit: 系统初始化脚本

(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) 激活swap设备

(8) 根据/etc/sysctl.conf文件设置内核参数

(9) 激活lvm及software raid设备

(10) 加载额外设备的驱动程序

(11) 清理操作

6、init执行run-level的各个服务的启动（script方式）；

   加载内核让整个系统准备接受指令来工作，再经过 /etc/rc.d/rc.sysinit 的系统模块与相关硬件信息的初始化后，你的 CentOS 系统应该已经顺利工作了。 

   只是，我们还需要启动系统所需要的各项服务，这样主机才能提供相关的网络或者是主机功能。这个时候，依据在 /etc/inittab 里面提到的 run level 设定值，就可以来决定启动的服务项目了。

   举例来说，使用 run level 3 当然就不需要启动X Window 的相关服务。

  各个不同的 run level 服务启动的各个脚本地址存放在“/etc/inittab”里；

说明：rcN --> 意味着读取/etc/rc.d/rcN.d/

K*: K##*：##运行次序；数字越小，越先运行；数字越小的服务，通常为依赖到别的服务

S*: S##*：##运行次序；数字越小，越先运行；数字越小的服务，通常为被依赖到的服务

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执行/etc/rc.d/rc.local文件；

   在完成默认 runlevel 指定的各项服务后，如果还有其他的动作想要完成时，这个档案就可以执行自己想要执行的系统指令了。 也就是说，有任何想要在开机时就进行的工作时，直接将他写入 /etc/rc.d/rc.local ， 那么该工作就会在开机的时候自动被加载。而不必等登入系统去启动。

注意：正常级别下，最后启动一个服务S99local没有链接至/etc/rc.d/init.d一个服务脚本，而是指向/etc/rc.d/rc.local脚本

不便或不需写为服务脚本放置于/etc/rc.d/init.d/目录，且又想开机时自动运行的命令，可直接放置于/etc/rc.d/rc.local文件中

 /etc/rc.d/rc.local在指定运行级别脚本后运行

 可以根据情况，进行自定义修改

8、init执行终端机模拟程序mingetty来启动login程序，最后等待用户登录。

在完成了系统所有服务的启动后，接下来 Linux 就会启动终端机或者是 X Window 来等待使用者登入啦！ 实际参考的项目是 /etc/inittab 内的这一段：

  这一段代表，在 run level 2, 3, 4, 5 时，都会执行 /sbin/mingetty ， 而且执行六个，这也是为何我们 Linux 会提供”六个纯文本终端机“的设定所在。 因为 mingetty 就是在启动终端机的命令。 

  要注意的是那个 respawn 的 init 操项目，他代表当后面的指令被终止 (terminal) 时， init 会主动的重新启动该项目。这也是为何我们登入 tty1 终端机接口后，以 exit 离开后， 系统还是会重新显示等待用户输入的画面的原因。 

  如果我们使用的是 run level 5 那么除了这六个终端机之外， init 还会执行 /etc/X11/prefdm -nodaemon 那个指令， 他主要的功能就是在启动 X Window 。 

CentOS 6启动流程：

POST --> Boot Sequence(BIOS) --> Boot Loader --> Kernel(ramdisk) --> rootfs--> switchroot--> /sbin/init-->(/etc/inittab, /etc/init/*.conf) --> 设定默认运行级别--> 系统初始化脚本rc.sysinit--> 关闭或启动对应级别的服务--> 启动终端

简单图示即为：

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