Linux启动原理

Linux系统启动原理

centos6系统

centos6系统启动过程

1. 加载 BIOS 的硬件信息，跟据设定取得第一个可开机引导设置，如：光驱，硬盘，网络，USB； 如果是硬盘为第一引导。

 2. 读取硬盘中 MBR 的 boot Loader 就是 grub引导

GRUB（GRand Unified Bootloader简称“GRUB”）是一个来自GNU项目的多操作系统启动程序。

MBR的硬盘的0柱面、0磁头、1扇区称为主引导扇区（也叫主引导记录MBR）。它由三个部分组成，主引导程序、硬盘分区表DPT（Disk Partition table）和硬盘有效标志（55AA）。

MBR分区表，只能分4个主分区原因：

注：磁盘默认一个扇区大小为：512字节。MBR由以下3部分组成

• 主引导程序（boot loader）占446个字节。主引导程序，它负责从活动分区中装载，并运行系统引导程序。
• Partition table区（分区表），即DPT，占64个字节，硬盘中分区有多少以及每一分区的大小都记在其中。每个分区表项长16个字节，16*4=64字节。为分区项1、分区项2、分区项3、分区项4。64字节只存4个分区表。

• MBR有效标识位，占2个字节，固定为55AA。如果这个标志位0xAA55，就认为这个是MBR。

所以：16*4+446+2=512

3. 依据 boot loader 的设定，到引导分区加载 Kernel ，Kernel 会开始侦测硬件并加载驱劢程序；  

4. 在硬件驱动成功后，Kernel 会主动执行 init 程序，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作业环境 (如网络、时区等)； 

6. init 执行 run-level 下各个服务并启动 (script 方式)； 

7. init 执行开机后自动运行脚本 /etc/rc.d/rc.local 文件； 

8. init 执行虚拟终端机控制程序 mingetty 来启动 login 程序，最后就等待用户登入啦；

 

centos6启动相关的配置文件

[root@m01 ~]# vim /boot/grub/grub.conf

default=0    设定默认启动菜单项，当系统中有多个内核时，0表示默认加载第1个，1表示第2个内核
timeout=5    菜单项等待选项时间为5s
splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz    指明菜单背景图片路径为
hiddenmenu  隐藏菜单
title CentOS (2.6.32-358.6.1.el6.x86_64)  定义菜单项
root (hd0,0)  grub查找stage2及kernel文件所在设备分区，grub的根
kernel /vmlinuz-2.6.32-358.6.1.el6.x86_64 ro root=/dev/vg_have/lv_root rd_NO_LUKS LANG=en_US.UTF-8 SYSFONT=latarcyrheb-sun16 crashkernel=auto rhgb quiet      启动的内核
initrd /initramfs-2.6.32-358.6.1.el6.x86_64.img      内核匹配的ramfs文件

修改系统启动级别：

[root@m01 ~]# vim /etc/inittab
# Default runlevel. The runlevels used are:
#   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)
# 
id:3:initdefault:    #这里决定系统启动的级别

/etc/rc.d/rc.sysinit  shell脚本 作用：系统初始化： 像：主机名 和/etc/fstab 都在这里指定了，完成了包括mount分区 激活swap 加载modules等重要的工作.

 

启动对应级别下的服务如： init 3 级别

/etc/rc.d/rc3.d/（这里的程序/服务S开头的全部开机执行；K开头的表示开机不执行，表明了关机时顺序）

rcn.d (n为1到6) 是对应于不同的runlevel下起不同的服务. 这些目录下都是一些符号连接, 连接到/etc/rc.d/init.d下的一些文件.以S开头的表示要启动, 以K开头的不启动. 
第一个字母后面的数值是一个优先级.

 

[root@m01 ~]# ll /etc/rc.d/rc3.d/ | grep network
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 Dec 18  2012 S10network -> ../init.d/network
#表示network是第10个启动的服务。 所以init是顺序启动系统，需要一个一个服务启动成功，再执行下一步操作，启动系统比较慢。
而centos7中的systemd可以并行启动多个服务，启动比较快。

 

[root@m01 ~]# vim /etc/init.d/network
#! /bin/bash
#
# network       Bring up/down networking
#
# chkconfig: 2345 10 90

看有chkconfig的那一行, 2345表示在runlevel 2 3 4 5下被启动, 10是为此服务的启动顺序, 90为关机时，关闭此服务的顺序

 

[root@m01 ~]# chkconfig --list  | grep network
network            0:off    1:off    2:on    3:on    4:on    5:on    6:off
[root@m01 ~]# ll /etc/rc.d/rc3.d/ | grep network
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 Dec 18  2012 S10network -> ../init.d/network  #开机顺序
[root@m01 ~]# chkconfig network off
[root@m01 ~]# ll /etc/rc.d/rc3.d/ | grep network
lrwxrwxrwx  1 root root 17 May 23 21:17 K90network -> ../init.d/network #只显示k90关机顺序了
[root@m01 ~]# chkconfig --list network
network            0:off    1:off    2:off    3:off    4:off    5:off    6:off

所有服务都运行成功后，设置开机自动执行某个命令： /etc/rc.local

[root@m01 ~]# vim /etc/rc.local 
[root@m01 ~]# ll !$
ll /etc/rc.local
lrwxrwxrwx. 1 root root 13 Dec 18  2012 /etc/rc.local -> rc.d/rc.local
[root@m01 ~]# ll /etc/rc.d/rc.local 
-rwxr-xr-x. 1 root root 240 Feb  5 21:17 /etc/rc.d/rc.local

运行mingetty命令，打开tty1-6
[root@m01 ~]# ps -axu | grep ming
Warning: bad syntax, perhaps a bogus '-'? See /usr/share/doc/procps-3.2.8/FAQ
root      2346  0.0  0.0   4116   548 tty2     Ss+  20:55   0:00 /sbin/mingetty /dev/tty2
root      2348  0.0  0.0   4116   548 tty3     Ss+  20:55   0:00 /sbin/mingetty /dev/tty3
root      2350  0.0  0.0   4116   544 tty4     Ss+  20:55   0:00 /sbin/mingetty /dev/tty4
root      2352  0.0  0.0   4116   544 tty5     Ss+  20:55   0:00 /sbin/mingetty /dev/tty5
root      2354  0.0  0.0   4116   544 tty6     Ss+  20:55   0:00 /sbin/mingetty /dev/tty6
[root@m01 ~]# runlevel   #查看系统启动级别
N 5
[root@m01 ~]# init 3
[root@m01 ~]# runlevel  
5 3   #由5启动级别进入3级别
[root@m01 ~]# init 5
[root@m01 ~]# runlevel  
3 5    #由3启动级别进入5级别

 

centos7系统

centos7系统启动过程

CentOS7引导顺序

1. UEFi或BIOS初始化，运行POST开机自检

2. 选择启动设备

3. 引导装载程序, centos7是grub2

4. 加载装载程序的配置文件：/etc/grub.d/ /etc/default/grub /boot/grub2/grub.cfg

5. 加载内核选项

6. 加载initramfs初始化伪文件系统

7. 内核初始化，centos7使用systemd代替init

8. 执行initrd.target所有单元，包括挂载/etc/fstab

9. 从initramfs根文件系统切换到磁盘根目录

10. systemd执行默认target配置，配置文件/etc/systemd/system/default.target

11. systemd执行sysinit.target初始化系统及basic.target准备操作系统

12. systemd启动multi-user.target下的本机与服务器服务

13. systemd执行multi-user.target下的/etc/rc.d/rc.local

14. Systemd执行multi-user.target下的getty.target及登录服务

15. systemd执行graphical需要的服务

 

centos7启动过程：

[root@m01 ~]# find /boot/ -name *img*
/boot/grub2/i386-pc/core.img
/boot/grub2/i386-pc/boot.img

Systemd运行原理

Systemd概述：systemd即为system daemon [ˈdi:mən] 守护进程，是linux下的一种init软件,开发目标是提供更优秀的框架以表示系统服务间的依赖关系，并依此实现系统初始化时服务的并行启动，同时达到降低Shell的系统开销的效果，最终代替现在常用的System V与BSD风格init程序。

与多数发行版使用的System V风格init相比，systemd采用了以下新技术：

(1) 采用Socket激活式与总线激活式服务，以提高相互依赖的各服务的并行运行性能；

(2) 用Cgroups代替PID来追踪进程，以此即使是两次fork之后生成的守护进程也不会脱离systemd的控制。

unit对象：unit表示不同类型的systemd对象，通过配置文件进行标识和配置；文件中主要包含了系统服务、监听socket、保存的系统快照以及其它与init相关的信息 

Systemd配置文件：

• /usr/lib/systemd/system/  #这个目录存储每个服务的启动脚本，类似于之前的/etc/init.d/

• /run/systemd/system/   #系统执行过程中所产生的服务脚本，比上面目录优先运行

• /etc/systemd/system/   #管理员建立的执行脚本，类似于/etc/rc.d/rcN.d/Sxx类的功能，比上面目录优先运行

注意： 对于新创建的unit文件，或者修改了的unit文件，要通知systemd重载此配置文件,而后可以选择重启 

centos5-6-7 3个系统版本启动过程：

管理系统服务

命令： systemctl COMMAND  name.service

-	centOS6	CentOS7
启动	service name start	systemctl start name.service
停止	service name stop	systemctl stop name.service
重启	service name restart	systemctl restart name.service
状态	service name status	systemctl status name.service
重载或重启服务(先加载，再启动)	-	systemctl reload-or-restart name.service

chkconfig命令的对应关系

-	centOS6	CentOS7
设定某服务开机自启	chkconfig name on	systemctl enable name.service
设定某服务开机禁止启动	chkconfig name off	systemctl disable name.service
查看所有服务的开机自启状态	chkconfig --list	systemctl list-unit-files --type service
用来列出该服务在哪些运行级别下启用和禁用	chkconfig sshd –list	ls /etc/systemd/system/*.wants/sshd.service
-	centos6	centos7
查看服务是否启动自启	-	systemctl is-enabled name.service

 

[root@m01 ~]# systemctl list-unit-files      #显示状态
•    loaded:Unit配置文件已处理
•    active(running):一次或多次持续处理的运行
•    active(exited):成功完成一次性的配置
•    active(waiting):运行中，等待一个事件
•    inactive:不运行
•    enabled:开机启动
•    disabled:开机不启动
•    static:开机不启动，但可被另一个启用的服务激活

 

运行级别

centos6下Linux运行级别0-6的各自含义

0： 关机模式

1：单用户模式 ，用于破解root密码

2：无网络，支持的多用户模式

3：有网络支持的多用户模式（一般叫字符界面，工作中最长使用的模式）

4：保留，未使用

5：有网络支持，支持图形界面，支持的多用户模式（图形界面）

6：重新引导系统，及重启

 

可以在不同级别下，设置服务是否随系统启动运行。在centOS7上运行级别的含义已经和之前不同了，已由.target来代替运行级别，我们可以称target为目标态，我们可以通过target定制更符合我们工作运行环境。

[root@m01 ~]# ls /usr/lib/systemd/system/*.target 

[root@m01 ~]# ll /usr/lib/systemd/system/*.target | grep runlevel 
lrwxrwxrwx. 1 root root  15 Oct 20 23:40 /usr/lib/systemd/system/runlevel0.target -> poweroff.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  13 Oct 20 23:40 /usr/lib/systemd/system/runlevel1.target -> rescue.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  17 Oct 20 23:40 /usr/lib/systemd/system/runlevel2.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  17 Oct 20 23:40 /usr/lib/systemd/system/runlevel3.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  17 Oct 20 23:40 /usr/lib/systemd/system/runlevel4.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  16 Oct 20 23:40 /usr/lib/systemd/system/runlevel5.target -> graphical.target
lrwxrwxrwx. 1 root root  13 Oct 20 23:40 /usr/lib/systemd/system/runlevel6.target -> reboot.target

注： 发现在runlevel2-4 都是调用multi-user.target这个unit。所以在centos7上runlevel2-4是一个意思

[root@m01 ~]# systemctl list-unit-files --type target   #查看所有target的状态
[root@m01 ~]# systemctl list-dependencies runlevel3.target   #查看3级别Unit 的所有依赖。

Unit 之间存在依赖关系：A 依赖于 B，就意味着 Systemd 在启动 A 的时候，同时会去启动 B。也可以理解也3运行级别下都开启哪些服务

在centOS7上所谓的目标态，其实就是由各种指定的服务和基础target组合而成的。

总结：centos6和7运行级别的变化

　　6                                            7

　　init                                         systemd

　　Traditional runlevel  |    New target name     Symbolically linked to...

　　Runlevel 0                 |    runlevel0.target  ->  poweroff.target

　　Runlevel 1                 |    runlevel1.target  ->  rescue.target

　　Runlevel 2                 |    runlevel2.target  ->  multi-user.target

　　Runlevel 3                 |    runlevel3.target  ->  multi-user.target

　　Runlevel 4                 |    runlevel4.target  ->  multi-user.target

　　Runlevel 5                 |    runlevel5.target  ->  graphical.target

　　Runlevel 6                 |    runlevel6.target  ->  reboot.target

　　Init  0  ->  systemctl  poweroff   关机

　　Init  1  -> systemctl  isolate rescue.target  单用户

　　Init  3  -> systemctl  isolate  multi-user.target   字符界面

　　Init  5  -> systemctl  isolate graphical.target       图形化

　　Init  6  -> systemctl  reboot  重启

运行级别的切换

1. 在centOS6上，我们切换级别使用init，在centOS7上虽然也能使用，但是调用的不再是原来的程序了。centos7使用systemctl  isolate name.target来切换target。 #   isolate   [ˈaɪsəleɪt ] 分离，隔离

例1：在centos6/7下切换到字符界面：
[root@m01 ~]# init 3   #切换到字符界面
[root@m01 ~]# init 5   #切换到图形界面
例2：centos7切换到字符界面
[root@m01 ~]# systemctl isolate multi-user.target
或：
[root@m01 ~]#  systemctl isolate runlevel3.target

2、centos7设置默认系统默认启动级别
systemctl set-default name.target来修改我们的目标态。
我们看一下我们的默认目标态究竟为何物。

[root@m01 ~]# ll /etc/systemd/system/default.target ll /etc/systemd/system/default.target
ls: cannot access ll: No such file or directory
lrwxrwxrwx. 1 root root 37 Oct 20 23:45 /etc/systemd/system/default.target -> /lib/systemd/system/multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 37 Oct 20 23:45 /etc/systemd/system/default.target -> /lib/systemd/system/multi-user.target

注：它其实就是创建了一个软链接到指定的target上去了 

例1：默认系统启动使用3级别字符界面
[root@m01 ~]#  systemctl set-default multi-user.target
Removed symlink /etc/systemd/system/default.target.
Created symlink from /etc/systemd/system/default.target to /usr/lib/systemd/system/multi-user.target.
[root@m01 ~]#   ll /etc/systemd/system/default.target  #查看链接
lrwxrwxrwx 1 root root 41 5月  23 19:08 /etc/systemd/system/default.target -> /usr/lib/systemd/system/multi-user.target
例2：默认系统启动使用5级别图形界面
[root@m01 ~]#  systemctl set-default  graphical.target

17.2.6  grub2和grub区别-了解 
在centOS6上，我们的grub文件是/boot/grub/grub.conf 
在centOS7使用grub2，配置文件改成/boot/grub2/grub.cfg了，但是功能还是大致一样的都是用于加载内核的，不过在centOS7上设置默认启动项发生了一些变化。
互动：如果我们的系统中有两个内核？改变默认启动的内核顺序？
例1: centos7修改内核启动顺序
[root@m01 ~]#  vim /etc/default/grub
GRUB_TIMEOUT=5   #开机时 grub 默认5秒后启动内核
GRUB_DISTRIBUTOR="$(sed 's, release .*$,,g' /etc/system-release)"
改：GRUB_DEFAULT= saved   
为：GRUB_DEFAULT= 1   #这里我们改成1，0代表第一个内核，1代表第二个，以此类推。
UB_DISABLE_SUBMENU=true
GRUB_TERMINAL_OUTPUT="console"
GRUB_CMDLINE_LINUX="crashkernel=auto rhgb quiet net.ifnames=0"
GRUB_DISABLE_RECOVERY="true"

[root@m01 ~]#  grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg  #修改完成后，并没有立即生效，使用此命令来生成grub.cfg文件，我们在下次启动的时候就会默认选择新的默认内核。
[root@m01 ~]#  uname -r   #查当前系统内核
3.10.0-693.2.2.el7.x86_64
[root@m01 ~]#  reboot
[root@m01 ~]#  uname  -r    #重启成功后， 发现加载的内核变了
3.10.0-693.el7.x86_64

例2: centos6修改内核启动顺序-了解
[root@m01 ~]#  vim /boot/grub/grub.conf
改：10 default=0
为：10 default=1
[root@m01 ~]#  reboot