CentOS系列啓動流程詳解

一、Linux啓動內核文件
1.Linux系統組成
動態視角：內核+根文件系統
靜態視角：磁盤分區+相關文件
2.Kernel特點
(1)支持某塊化：.ko (kernel object)文件
(2)支持模塊運行時動態裝載或卸載；
總結：Linux kernel在單內核設計模型上，吸取了多內核設計的優點，使用了模塊化設計
單內核設計：把所有功能集成於同一個程序；如Linux
微內核設計：每種功能使用一個單獨的子系統實現；如Windows, Solaris
3.kernel組成
(1)核心文件
1)/boot/vmlinuz-VERSION-release
注： “ vmlinuz ”最後一個z表示壓縮格式的kernel文件
2)ramdisk(中間臨時文件根系統，動態創建出來的，使用緩衝和緩存來加速對磁盤上的文件訪問)
安裝操作系統後臨時生成的文件，能夠掃描當前操作系統的硬盤驅動，裝載對應的模塊
用於實現系統初始化的基於內存的磁盤設備，把內存中的一段空間當內存使用
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)不是必須的，當自編譯內核時候知道硬盤接口時候將硬盤驅動編譯進kernel，ramdisk就不用了
b)initrd,基於ramdisk的磁盤映像文件；initramfs,基於ramdisk的文件系統
initrd啓動後用free查看memory時候，有一段空間被buffers和cached佔用，二次緩存
把內存當磁盤使用就必須要在內存中緩存和緩衝，而當做文件系統則避免雙緩衝雙緩存
[root@centos7 ~]# cd /boot
[root@centos7 /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
[root@centos7 /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)模塊文件：/lib/modules/VERSION-release(與內核版本發行號相同的目錄)/*
[root@centos7 ~]# 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
[root@centos7 ~]# 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
[root@centos7 ~]# ls /lib/modules/3.10.0-957.el7.x86_64/kernel/
arch crypto drivers fs kernel lib mm net sound virt

[root@centos7 ~]# ls /lib/modules/3.10.0-957.el7.x86_64/kernel/

arch ：與平臺相關的特有代碼，專有的彙編級的代碼
crypto：加密解密組件
drivers：驅動程序
fs ：文件系統
kernel ：內核自己追蹤用到的文件
lib：庫文件
mm：內存管理功能，memory manage
net：網絡功能
sound:和聲音相關的驅動程序，單獨放出來，因爲有很多與聲音相關的×××
virt：訪問虛擬機
二、CentOS系列PC架構MBR主機啓動流程
POST --> Boot Sequence(BIOS) --> Boot Loader (MBR) --> Kernel(ramdisk) --> rootfs --> switchroot --> /sbin/init -->(/etc/inittab, /etc/init/.conf) --> 設定運行級別 --> 系統初始化腳本 --> 關閉或啓動對應級別下的服務 --> 啓動終端
1.POST：加電自檢，檢查硬件設備是否存在
用於實現POST的代碼在主板上ROM(CMOS)芯片上
BIOS：Basic Input and Output System 基本上輸入輸出系統，固化在ROM芯片上
2.Boot Sequence：
按次序查找各引導設備，第一個有引導程序的設備即爲本次啓動要用到的設備；

bootloader：引導加載器，程序；
提供一個菜單，允許用戶選擇要啓動的系統或不同的內核版本； 把用戶選定的內核裝載到RAM中的特定空間中，解壓、展開，而後把系統控制權移交給內核；
(1)Windows上引導加載器：ntloader
(2)Linux上引導加載器：
1)LILO：短小精悍的linux加載器，1024柱面之後無法加載，現在多用於安卓手機啓動
2)GRUB：Grand Uniform Bootloader統一引導加載器
GRUB 0.X(CentOS 5/6)：Grub Legacy
GRUB 1.X(CentOS 7)：Grub2,完全重寫，設計理念上很大改變3.Kernel實現功能
kernel自身初始化，實現功能
---> 探測可識別到的所有硬件設備；
---> 加載硬件驅動程序；（有可能會藉助於ramdisk加載驅動）
---> 以只讀方式掛載根文件系統；
---> 運行用戶空間的第一個應用程序：/sbin/init
4./sbin/init管理用戶空間服務進程
init程序的在不同CentOS版本上類型：
CentOS 5及以前：SysV init 配置文件：/etc/inittab
CentOS 6：Ubantu研發的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

[root@localhost ~]# cat /etc/inittab
id:3:initdefault: 此處 表示默認啓動級別爲3文本界面，不能爲0級別
/etc/inittab文件：每行定義一種action 以及與之對應的process
格式：id:runlevels:action:process
id：一個任務的標識符；
runlevels：在哪些級別啓動此任務；#，###，若此處爲空則表示所有級別；
action：在什麼條件下啓動此任務；
wait：等待切換至此任務所在的級別時執行一次；
respawn：再次發起；此任務終止，就自動重新啓動；
initdefault：設定默認運行級別；此時process會省略，不是設定任務，而是默認啓動級別；
sysinit：設定系統初始化方式，此處一般爲指定/etc/rc.d/rc.sysinit腳本(CentOS5和6用到，7無)；
process：任務；
(2)CentOS 6：
init程序：upstart，但依然爲/sbin/init，
其配置文件： /etc/init/.conf, /etc/inittab（僅用於定義默認運行級別）
注意：.conf爲upstart風格的配置文件；各功能切割成片段

init-system-dbus.conf：主要在哪兒啓動服務的配置文件
rcS.conf: 系統初始化腳本
start-ttys.conf：啓動時的終端數量
rc.conf：啓動服務的配置文件
更改默認tty數量文件： [root@localhost init]# cat start-ttys.conf

(3)CentOS 7：不需要任何啓動腳本
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systemctl命令來控制服務；

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

5.啓動運行級別初始化控制：/etc/rc.d/rc#.d
(1)系統運行級別：爲了系統的運行或維護等目的而設定的機制；
0-6：共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)，會啓動網絡功能，但不會啓動NFS；維護模式；
3：多用戶模式(mutli 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：重啓，reboot
1) 默認級別：3, 5
2) 級別切換：init #
3) 級別查看命令：who -r ； runlevel
(2)/etc/rc.d目錄
1)rc #腳本：接受一個運行級別數字爲參數；當級別切換時啓動或關閉服務
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，而後關閉被依賴的；
S：要啓動的服務；
S##，優先級，數字越小，越是優先啓動；被依賴的服務先啓動，而依賴的服務後啓動；
注意：按照glob通配，數字越小排在前面

2)/etc/rc.d/rc腳本框架(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/)腳本執行方式：

/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/每個服務腳本在各級別下的啓動或關閉狀態；
      1) 查看：chkconfig  --list   [name]

2) 添加：chkconfig --add name
3) 刪除：chkconfig --del name
4) 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；默認爲2345；
5) 能被添加的服務的腳本定義格式：
#!/bin/bash
#

chkconfig: ### ## ## ======註釋：運行級別、啓動優先級、關閉優先級======

description:

(4)/etc/rc.d/rc.local腳本：開機自動讀取此文件中命令
正常級別下，最後啓動的一個服務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 （/etc/rc.local）腳本；
因此，不便或不需寫爲服務腳本的程序期望能開機自動運行時，直接放置於此腳本文件中即可。

6.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) 檢測根文件系統，並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文件來設置內核參數；
(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；
7.啓動終端
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；

啓動開機流程總結：
內核級別：

1. POST做開機啓動時候的硬件檢測功能
   2.BootSequence(BIOS)啓動加載主引導分區MBR中的引導加載器程序BootLoader
   在LInux現行的BootLoader是三段劃分(打破446字節限制)的GRUB程序，
   第一段寫在BootLoader中
   1.5段在其後扇區用於文件系統的引導
   2段在boot/grub中提供國土部接口和調用系統內核kernel
   3.Kernel識別硬件、加載驅動、只讀掛載根文件系統、同時交付給用戶空間第一個程序/sbin/init
   此處特別要注意，系統發行商爲了適應多種硬件接口驅動調用，會在第一次安裝系統時候，自動識別硬件接口，並調用唯一驅動程序來生成ramdisk文件，以內存當磁盤做虛根，驅動接口後會切換到真實的根文件系統上
   CentOS 5系列是initrd，當磁盤映像文件會造成二次緩存緩衝
   CentOS 6/7系列改進爲initramfs，以文件系統形式可以不二次佔用緩存和緩衝
   用戶空間級別
   4./sbin/init接管後更具其配置文件來初始化
   5.更具/sbin/init中的配置會設置默認運行級別，以及一些在/etc/init.d/設置的開機服務
   6./etc/rc.d/rc.sysinit運行系統初始化腳本，完成系統初始化
   7.關閉對應級別下需要停止的服務，啓動對應級別下需要開啓的服務
   8.設置登錄終端 [--> 啓動圖形終端]