Linxu系统的启动过程

Linxu系统的启动过程

启动流程

1、引导Linux启动是从BIOS中的地址0xFFFF0处开始的，BIOS由两部分组成：POST代码和运行时服务，运行时服务是为操作系统提供一些接口，如温度检测等。

• BIOS的第一个步骤是加电自检(POST)，完成对硬件的的检测，如某些硬件出现错误无法通过检测就导致系统无法启动，POST完成之后将被清出内存；

• BIOS的第二个步骤是进行设备的枚举和初始化，按CMOS的设置搜索处于活动状态并且可引导的设备（floppy、CD-ROM、USB、Disk、NFS），加载主引导记录(MBR)，到内存。此时BIOS将控制权交给Boot Loader

2、MBR的前 446 个字节是主引导加载程序(Boot Loader)，其中包含可执行代码和错误消息文本。接下来的 64 个字节是分区表，其中包含 4 个分区的记录（每个记录16 bytes）。MBR 以两个特殊数字（0xAA55）结束。这个数字会用来进行 MBR 的有效性检查。

• Boot Loader就是stage1，通过内置的地址引导了stage1_5 的引导加载程序加载/boot分区，进而加载stage2。MBR中的Boot Loader备份在了 /boot/grub/stage1 中 

• 

• stage1_5在/boot/grub目录，用于识别内核所在分区的文件系统类型，是Boot Loader所处的 stage1 加载 stage2 的过渡，在这之后才能进入Grub引导程序。

3、Grub引导程序处于stage2，通过读取 /etc/grub.conf 文件，显示出内核列表，指定了内核镜像和 initrd 所在的分区为root，设定内核参数，并加载vmlinuz和initramfs这两个文件到内存中。在这一阶段可以编辑启动项目如指定根分区root，内核kernel，initrd镜像等；也可以进入grub command line手动写启动信息。

事实上，GRUB(GRand Unified Bootloader)管理开机启动的过程分成了三个阶段stage1/stage1.5/stage2。其中stage1主要负责BIOS和GRUB之间的交接。这部分才是真正放在MBR中的bootloader。而后stage1.5是连接stage1和stage2之间的通道，起着过渡的作用。最后才是GRUB中真正核心的部分stage2，它可以让用户以选项的方式将操作系统加载、修改选项和内核参数。

4、当内核映像被加载到内存中，并且stage2 的引导加载程序释放控制权之后，内核阶段就开始了，内核在完成自身的初始化之后进行探测可识别的所有硬件设备，由于内核中只包含了少量的硬件驱动，此时会借助内存中的initrd根文件系统加载相关驱动程序。当内核具备访问根文件系统功能时，initrd根文件系统将被卸载，并挂载真正的根文件系统。这就是内核的初始化过程，系统已经脱离了 /boot 分区，独立存活在内存中。

• vmlinuz-xxx内核镜像是一个 zImage（压缩映像，小于 512KB）或一个 bzImage（较大的压缩映像，大于 512KB），它是使用 zlib 进行压缩过的内核文件

• initramfs-xxx.img是由stage2 引导加载程序加载到内存中的，它会被复制到 RAM 中并挂载到系统上。这个 initrd 会作为 RAM 中的临时根文件系统使用，并允许内核在没有挂载任何物理磁盘的情况下完整地实现引导。initrd文件包括可加载模块的驱动程序，为内核提供可访问磁盘和磁盘上的文件系统的接口，并为其他硬件提供了驱动程序。由于根文件系统是磁盘上的一个文件系统，因此内核通过initrd取得根分区的访问，并挂载真正的根文件系统。这是一个解包的initramfs镜像文件：

• 内核非常小，rpm -ql kernel看到大部分驱动模块都在安装内核时放在了/lib/modules/version/目录下，只有编译内核过程中被选择的模块才会成为内核镜像的一部分，还有一部分驱动模块存放在initfd镜像中，这些驱动模块确保了Linux内核可以在众多的架构上运行，并且兼容绝大多数硬件平台。

5、内核初始化的最后一步就是启动 init 进程。在init 以守护进程方式存在，是所有其他进程的祖先(PID=1)，init 进程非常独特，能够完成其他进程无法完成的任务。

• 在CentOS 5中使用 sysvinit 初始化系统：sysvinit 就是 system V 风格的 init 系统，顾名思义，就是源于 System V 系列 UNIX

• init 通过读取 ‘/etc/inittab’ 文件完成系统初始化的过程：

. 系统选择进入 runlevel

. 运行系统初始化脚本，即/etc/rc.d/rc.sysinit

. 运行指定运行级别对应的目录下的脚本，即/etc/rc.d/rc#.d/目录下的服务脚本

. 捕获组合键的定义

. 定义电源 fail/restore 脚本

. 启动 getty 和虚拟控制台

• inittab文件 

字段定义格式及含义 id:runlevels:action:process 

. id：标识符 

. runlevels：在哪个级别运行此行 

. action：在什么情况下执行此行 

. process：要运行程序 

[action] 

. initdefault：设定默认运行级别 

. sysinit：系统初始化 

. wait：等待级别切换至此级别时执行 

. respawn：一旦程序终止，会重新启动

• 选择runlevel ：Sysvinit 读取 ‘/etc/inittab’ 文件中是否含有 ‘initdefault’ 项，有则init 将启动默认运行的模式。如果没有默认的运行模式，将进入系统控制台，手动决定进入何种运行模式。

• who -r 与 runlevel #查看当前的runlevel

• runlevel通常会 7 种模式，即runlevel 0 ~ 6 。 
  通常： 
  # 0 – halt (Do NOT set initdefault to this) 
  # 1 – Single user mode 
  # 2 – Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not have networking) 
  # 3 – Full multiuser mode 
  # 4 – unused 
  # 5 – X11 
  # 6 – reboot (Do NOT set initdefault to this)

• /etc/rc.d/rc.sysinit 

• 运行 rc.sysinit 以便执行一些重要的系统初始化任务。在RHEL 5中rc.sysinit 主要完成以下这些工作： 

• 激活 udev 和 selinux

• 设置定义在/etc/sysctl.conf 中的内核参数

• 设置系统时钟

• 加载 keymaps

• 使能交换分区

• 设置主机名(hostname)

• 根分区检查和 remount

• 激活 RAID 和 LVM 设备

• 开启磁盘配额

• 检查并挂载所有文件系统

• 清除过期的 locks 和 PID 文件

• /etc/rc.d/rc 和/etc/rc.d/rc#.d/ 

• rc是个脚本，后面接参数，如：l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5 ，这里的wait意味着init系统将等待rc启动服务脚本。

• rc 根据 runlevel 执行rc#.d 目录下启动脚本。每个 runlevel 都有一个对应的 rc#.d 目录

• 在这些目录下存放着很多不同的脚本，文件名以 S 开头的脚本表示在当前runlevel中启动，K开头的脚本表示不在当前runlevel中启动

• 在/etc/rc.d/rc#.d 目录下的脚本其实都是一些软链接文件，真实的脚本文件存放在/etc/init.d 目录下，也就是说在/etc/init.d目录下的文件会自动以S##script或K##script的软链接存在于各 runlevel 的目录下

• chkconfig –levle comm off实质上就是把S##script 改成了 K##script文件。注意这里的数字是在脚本内部定义的。自定义服务脚本时，定义的S数字尽量大，以免依赖的服务还没有启动。当使用 init #命令切换runlevel时，有些服务被关闭，此时定义的K数字尽量小，在依赖服务关闭前停止。

• /etc/rc.d/rc.local 

• rc#.d/S99local文件没有链接至/rc.d/init.d/而是rc#.d/S99local -> ../rc.local，因此，命令放置于/etc/rc.d/rc.local目录可实现开机时自动运行，简化了些服务脚本的过程。

• /sbin/mingetty，X Display Manager（如果需要的话） 

• init在等待/etc/rc.d/rc执行完毕之后，将在指定的各个虚拟终端上运行/sbin/mingetty，等待用户的登录。 至此，Linux的启动完成

自定义服务脚本

#自定义服务脚本，使用 chkconfig 管理
[root@cent6]/etc/rc.d/init.d>cat testsrv 
 #!/bin/bash    
 #chkconfig:35 92 22    #默认启动runlevel 3 5 ，S92testsrv ，K22testsrv
 #description:test service in /etc/rc.d/init.d/    #放在/etc/rc.d/init.d/自动链接至 0 - 6 runlevel
……
[ -x \$0 ]||chomd +x $0
#添加至服务列表
[root@cent6]~>chkconfig --add testsrt
#从服务列表删除
[root@cent6]~>chkconfig --del testsrt

#确认当前testsrv启动的runlevel
[root@cent6]/etc/rc5.d>chkconfig --list testsrv
testsrv         0:off   1:off   2:off   3:on    4:off   5:on    6:off
#选择on的rc5.d/，此时有S92testsrv文件，并且是一个软链接
[root@cent6]/etc/rc5.d>ll S92testsrv 
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 Aug 17 11:37 S92testsrv -> ../init.d/testsrv

#修改S92 为预定义的 K22 文件，目的是看看runlevel5是否仍然 on
[root@cent6]/etc/rc5.d>mv S92testsrv K22testsrv
#runlevel5已经是off，说明chkconfig off 等于创建 K 开头的文件
[root@cent6]/etc/rc5.d>chkconfig --list testsrv
testsrv         0:off   1:off   2:off   3:on    4:off   5:off   6:off

#再次开启 runlevel5的testsrv服务
[root@cent6]/etc/rc5.d>chkconfig --level 5 testsrv on
testsrv         0:off   1:off   2:off   3:on    4:off   5:on    6:off
#rc5.d/目录下再次生成了S92testsrv文件
[root@cent6]/etc/rc5.d>ll S92testsrv 
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 Aug 17 11:37 S92testsrv -> ../init.d/testsrv

• Sysvinit 不仅需要负责初始化系统，还需要负责关闭系统。在系统关闭时，为了保证数据的一致性，需要小心地按顺序进行结束和清理工作。比如应该先停止对文件系统有读写操作的服务，然后再 umount 文件系统，否则数据就会丢失。这种顺序的控制这也是依靠/etc/rc.d/rc#.d/目录下所有脚本的命名规则来控制的，在该目录下所有以 K 开头的脚本都将在关闭系统时调用，字母 K 之后的数字定义了它们的执行顺序。这些脚本负责安全地停止服务或者其他的关闭工作。

Sysvinit 管理命令和控制功能

• halt、init、killall、last、lastb、mesg、pidof、poweroff、reboot、shutdown、runlevel、sulogin、telinit、utmpdump、wall

Sysvinit 小结

• sysvinit 的一个重要优点是确定的执行顺序：脚本严格按照启动数字的大小顺序执行，一个执行完毕再执行下一个，有利于错误排查

• 串行地执行脚本导致 sysvinit 运行效率较慢，此外动态设备加载等 Linux 新特性体现出 sysvinit 的一些问题

补充：守护进程

• 独立守护进程：就像上面的myservice一般能实现自我管理的守护进程

• 超级守护进程：xinetd服务，就像一个代理人，如管理telnet服务，虽然端口开着，但是服务没有被激活

• 瞬时守护进程：不需要关联至运行级别，以服务的方式被激活，由超级守护进程xinetd管理，可以认为这是Systemd的启动方式

Upstart

• UpStart 主要的概念是 job 和 event。Job 就是一个工作单元，用来完成一件工作，比如启动一个后台服务，或者运行一个配置命令。每个 Job 都等待一个或多个事件，一旦事件发生，upstart 就触发该 job 完成相应的工作。UpStart 解决了之前提到的 sysvinit 的缺点。采用事件驱动模型

• UpStart 可以： 
  更快地启动系统 
  当新硬件被发现时动态启动服务 
  硬件被拔除时动态停止服务

• 这些特点使得 UpStart 可以很好地应用在桌面或者便携式系统，处理这些系统中的动态硬件插拔特性。

• 原inittab下的记录 
  /etc/init/control-alt-delete.conf：快捷键重启的脚本，建议注释掉，防止误操作 
  /etc/init/tty.conf：重启终端脚本 
  /etc/init/start-ttys.conf：登录终端脚本 
  /etc/init/rc.conf：启动脚本 
  /etc/init/prefdm.conf：图像界面脚本

Systemd

• CentOS 7 使用systemd替换了SysV。Systemd目的是要取代Unix时代以来一直在使用的init系统，兼容SysV和LSB的启动脚本，而且够在进程启动过程中更有效地引导加载服务

• systemd的特性有： 
  支持并行化任务 
  同时采用socket式与D-Bus总线式激活服务； 
  按需启动守护进程（daemon）； 
  利用 Linux 的 cgroups 监视进程； 
  支持快照和系统恢复； 
  维护挂载点和自动挂载点； 
  各服务间基于依赖关系进行精密控制。