开机流程、模块管理

一、开机流程

Linux系统组成

• kernel 实现进程管理、内存管理、网络管理、驱动程序、文件系统、安全功能等功能
• rootfs 包括程序和 glibc 库
  • ​ 程序：二进制执行文件
  • ​ 库：函数集合, function, 调用接口（头文件负责描述）

开机流程

1. BIOS 开机自检，并依据设定获取第一个启动设备。
2. 读取第一个启动设备 MBR 的 Boot Loader（引导加载程序，如 Grub2）。
3. 依据 Boot Loader 的设定加载Kernel（内核），Kernel探测硬件与加载驱动程序。
4. Kernel 启动 systemd 程序，并以 default.target 流程开机。
   1. systemd 执行 sysinit.target 初始化系统及 basic.target 准备操作系统。
   2. systemd 启动 multi-user.target 下的服务。
   3. systemd 执行 multi-user.target 下的 /etc/rc.d/rc.local 文件。
   4. systemd 执行 multi-user.target 下的 getty.target 及登录服务。
   5. systemd 执行 graphical 需要的服务

概念解释

BIOS

Basic Input Output System。它是一组固化到计算机主板上的一个ROM（只读存储器）芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序，它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。

无论传统的BIOS还是新的UEFI BIOS统称为BIOS。其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。

MBR

Master Boot Record。主引导记录，是一些代码和数据，位于硬盘的第一个扇区（扇区共512字节）。无论传统的MBR或新的GPT，都有MBR区块。

深入理解

• 主引导记录：即MBR，-共446字节。可以安装开机管理程序。
• 分区表：即partition table，共64字节。记录着硬盘的分区信息。
• 结束标志：2个字节

需要根据具体情况判断其到底是指整个主引导扇区，还是主引导扇区的前446字节。

简单理解：MBR表示磁盘最前面可安装boot loader的区块。

如果MBR损坏，可能会导致计算机无法启动或无法正确识别硬盘上的分区。

Boot Loader

引导加载程序 或 开机管理程序。位于MBR。

目前主流的boot loader 是grub2。

安装位置

• MBR
• 每个分区的boot sector

三个阶段

• 1st stage：执行Grub主程序。Grub安装在MBR。由于MBR太小，所以与配置文件分开放
• 1.5 stage：识别不同的文件系统
• 2nd stage：加载Grub配置文件 /boot/grub2/grub.cfg。配置文件在文件系统中。

主要功能

• 提供选单：用户可选择不同的开机选项，即多重引导
• 加载内核：读取内核文件并执行
• 转交其它loader：将开机功能转交给其它loader负责

多重操作系统

问

操作系统必须使用自己的loader才能加载属于自己操作系统的核心，但MBR只有一个，如何在一台主机安装Windows与Linux系统？

答

一、Windows使用 NTLDR 引导，而Linux使用 Grub2 引导。

二、每个文件系统（或称为分区）都会各自保留一块启动扇区（boot sector）提供操作系统安装 boot loader，而通常操作系统默认都会安装一份 loader 到其根目录所在的文件系统的boot sector。对于Linux，可选择将boot loader安装到MBR，也可选择不安装至MBR，若选择安装到MBR，那么MBR和boot sector都会存在一份boot loader程序；对于Windows，预设会主动将MBR与boot sector都装上一份boot loader，所以可能会存在MBR被不同操作系统的boot loader覆盖的问题。

三、Linux的Grub2具有控制转交的功能；但Windows的NTLDR预设不具有控制转交功能。即不能使用Windows的loader加载Linux的loade，但可使用Linux的loader来加载Windows的loader。

综述，避免MBR被没有转移功能的Windows loader覆盖，所以要先装Windows再装Linux。

图示：

选单一：MBR(grub2) -->kernel file --> booting

选单二：MBR(grub2) -->boot sector(Windows loader) --> Windows kernel --> booting

选单三：MBR(grub2) --> boot sector(grub2) -->kernel file --> booting

Grub2

Grub2是linux主流的boot loader程序。

配置文件

/boot/grub2/grub.cfg

磁盘与分区在Grub2中的代号

(hd0,1)	默认语法，由grub2自动判断分区格式
(hd0,msdos1)	此磁盘分区为MBR模式
(hd0,gpt1)	此磁盘分区为gpt模式

注意：磁盘编号从0开始，分区编号从1开始

1. 第一个搜索到的硬盘代号为：(hd0)
2. 该硬盘的第一个分区代号为：(hd0,1)

规律参考

第一个硬盘的第一个逻辑分区代号为 (hd0,msdos5)。

旧版grub的磁盘编号和分区编号都是从0开始。

配置文件的维护

修改 /etc/default/grub文件 与 /etc/grub.d/ 目录内容。不要修改 /boot/grub2/grub.cfg

/etc/default/grub

[root@wenzi ~]# cat /etc/default/grub
GRUB_TIMEOUT=5    预设倒数读秒的秒数
GRUB_DISTRIBUTOR="$(sed 's, release .*$,,g' /etc/system-release)"
GRUB_DEFAULT=saved    saved表示默认启动的系统是用户最后选择的那个系统
GRUB_DISABLE_SUBMENU=true    是否隐藏次级选单，一般都隐藏
GRUB_TERMINAL_OUTPUT="console"    数据输出终端的格式，默认是文字
GRUB_CMDLINE_LINUX="crashkernel=auto rhgb quiet"    定义了 GRUB 在启动 Linux 内核时传递的参数。这里的参数是 "crashkernel=auto"（在系统崩溃时自动启用内核）、"rhgb"（在图形模式下显示 Red Hat Graphics Boot）、"quiet"（安静模式，不显示详细的启动信息）
GRUB_DISABLE_RECOVERY="true"    禁用救援模式

修改此文件，设置倒数读秒为10秒，使用 grub2-mkconfig 重新生成 /etc/grub2/grub.cfg

[root@wenzi ~]# cat /etc/default/grub
GRUB_TIMEOUT=10
GRUB_DISTRIBUTOR="$(sed 's, release .*$,,g' /etc/system-release)"
GRUB_DEFAULT=saved
GRUB_DISABLE_SUBMENU=true
GRUB_TERMINAL_OUTPUT="console"
GRUB_CMDLINE_LINUX="crashkernel=auto rhgb quiet"
GRUB_DISABLE_RECOVERY="true"

使用 grub2-mkconfig 重新生成grub.cfg文件。-o 指定生成的文件路径
[root@wenzi ~]# grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg
Generating grub configuration file ...
Found linux image: /boot/vmlinuz-3.10.0-1160.el7.x86_64
Found initrd image: /boot/initramfs-3.10.0-1160.el7.x86_64.img
Found linux image: /boot/vmlinuz-0-rescue-bdec72d022c54c9a974631ed16b60939
Found initrd image: /boot/initramfs-0-rescue-bdec72d022c54c9a974631ed16b60939.img
done

查看实际配置文件已修改
[root@wenzi ~]# cat /boot/grub2/grub.cfg | grep timeout
if [ x$feature_timeout_style = xy ] ; then
  set timeout_style=menu
  set timeout=10
# Fallback normal timeout code in case the timeout_style feature is
  set timeout=10

/etc/grub.d/ 目录

使用 grub2-mkconfig 生成 grub.cfg 文件时，grub2工具会分析/etc/grub.d/ 目录里的文件。

[root@wenzi ~]# ls /etc/grub.d/
00_header  00_tuned  01_users  10_linux  20_linux_xen  20_ppc_terminfo  30_os-prober  40_custom  41_custom  README

• 00_header：此文件包含GRUB的默认设置和命令，它在GRUB引导加载器的所有阶段都会被读取。
• 00_tuned：此文件包含根据系统配置的优化设置，这些设置可能会覆盖默认设置。
• 01_users：此文件允许你定义在GRUB引导加载器中使用的用户。
• 10_linux 和 20_linux_xen：这些文件包含用于GRUB引导加载器的Linux和Xen内核的配置。它们会根据在 /etc/default/grub 文件中定义的菜单项顺序进行加载。
• 20_ppc_terminfo：这个文件包含PowerPC (PPC) 体系架构的终端信息数据库。这可以帮助GRUB在引导过程中对系统进行适当的设置。
• 30_os-prober：此文件用于探测并添加其他操作系统到GRUB的菜单中。
• 40_custom 和 41_custom：这些文件允许你添加自定义的配置，它们会在所有其他配置之后加载。

示例：

/etc/grub2.cfg 中选单内容

grub2-install

用于安装GRUB2引导加载器的工具。它用于将GRUB2配置文件和相关文件安装到正确的位置，以便在计算机启动时能够正确加载并引导操作系统。

grub2-install [--boot-directory=DIR] INSTALL_DEVICE

• --boot-directory=DIR：指定grub2安装目录。grub2-install 默认会将grub2所有文件复制到 /boot/grub2/ 下。
• INSTALL_DEVICE：安装GRUB2的设备或者分区，例如 /dev/sda1

将GRUB2安装到 /dev/sda1 分区，并且所有的文件都将会被复制到 /boot/gragon/ 目录下
grub2-install --boot-directory=/boot/gragon/ /dev/sda1

Kernel

操作系统的核心。可实现进程管理、内存管理、网络管理、驱动程序、文件系统、安全功能等功能。

核心文件位置

/boot 目录，以 vmlinuz 开头的文件，如 vmlinuz-3.10.0-1160.el7.x86_64

/boot 目录

config-3.10.0-1160.el7.x86_64    Linux内核的配置文件，其中包含了内核的配置选项和参数
grub    已过时，无需理会
grub2    引导加载程序的相关目录。它们包含了引导加载程序所需的文件和配置。
initramfs-0-rescue-bdec72d022c54c9a974631ed16b60939.img    用来救援的虚拟文件系统
initramfs-3.10.0-1160.el7.x86_64.img    正常开机用的虚拟文件系统
initramfs-3.10.0-1160.el7.x86_64kdump.img    内核出问题用的虚拟文件系统
lost+found    当ext文件系统出错时会把遗失的片段放置在此。使用xfs文件系统的话，没有此目录
symvers-3.10.0-1160.el7.x86_64.gz    内核符号版本文件，用于调试和排错
System.map-3.10.0-1160.el7.x86_64    系统映射文件，用于内核调试和排错
vmlinuz-0-rescue-bdec72d022c54c9a974631ed16b60939    救援用的内核文件
vmlinuz-3.10.0-1160.el7.x86_64    内核文件，最重要

/boot/initramfs

虚拟文件系统。可通过boot loader加载到内存中，被解压缩为一个虚拟的根目录，且提供一个加载开机过程需要的内核模块的可执行程序。载入完成后核心呼叫systemd继续后续的开机流程。

若要重建 initramfs，可使用 dracut 命令。

Systemd

Linux最新的初始化系统，PID为1。Centos6是init。

主要功能是准备软件的执行环境，如主机名，网络设定，语言，文件系统格式，一些服务的启动。所有的动作通过 /etc/systemd/system/default.target 规划。

新式target和旧式runlevel对应关系

[root@wenzi ~]# ll /usr/lib/systemd/system/runlevel*
usr/lib/systemd/system/runlevel0.target -> poweroff.target
/usr/lib/systemd/system/runlevel1.target -> rescue.target
/usr/lib/systemd/system/runlevel2.target -> multi-user.target
/usr/lib/systemd/system/runlevel3.target -> multi-user.target
/usr/lib/systemd/system/runlevel4.target -> multi-user.target
/usr/lib/systemd/system/runlevel5.target -> graphical.target
/usr/lib/systemd/system/runlevel6.target -> reboot.target

systemd处理流程

以centos7为例，查看graphical.target依赖哪些服务

[root@wenzi ~]# systemctl list-dependencies graphical.target
graphical.target
● ├─display-manager.service
● ├─network.service
● ├─systemd-update-utmp-runlevel.service
● └─multi-user.target
●   ├─auditd.service
●   ├─crond.service
●   ├─dbus.service
●   ├─irqbalance.service
●   ├─kdump.service
●   ├─network.service
●   ├─NetworkManager.service
●   ├─plymouth-quit-wait.service
●   ├─plymouth-quit.service
●   ├─postfix.service
●   ├─rhel-configure.service
●   ├─rsyslog.service
●   ├─sshd.service
●   ├─systemd-ask-password-wall.path
●   ├─systemd-logind.service
●   ├─systemd-readahead-collect.service
●   ├─systemd-readahead-replay.service
●   ├─systemd-update-utmp-runlevel.service
●   ├─systemd-user-sessions.service
●   ├─tuned.service
●   ├─vmtoolsd.service
●   ├─basic.target
●   │ ├─microcode.service
●   │ ├─rhel-dmesg.service
●   │ ├─[email protected]
●   │ ├─paths.target
●   │ ├─slices.target
●   │ │ ├─-.slice
●   │ │ └─system.slice
●   │ ├─sockets.target
●   │ │ ├─dbus.socket
●   │ │ ├─systemd-initctl.socket
●   │ │ ├─systemd-journald.socket
●   │ │ ├─systemd-shutdownd.socket
●   │ │ ├─systemd-udevd-control.socket
●   │ │ └─systemd-udevd-kernel.socket
●   │ ├─sysinit.target
●   │ │ ├─dev-hugepages.mount
●   │ │ ├─dev-mqueue.mount
●   │ │ ├─kmod-static-nodes.service
●   │ │ ├─plymouth-read-write.service
●   │ │ ├─plymouth-start.service
●   │ │ ├─proc-sys-fs-binfmt_misc.automount
●   │ │ ├─rhel-autorelabel-mark.service
●   │ │ ├─rhel-autorelabel.service
●   │ │ ├─rhel-domainname.service
●   │ │ ├─rhel-import-state.service
●   │ │ ├─rhel-loadmodules.service
●   │ │ ├─sys-fs-fuse-connections.mount
●   │ │ ├─sys-kernel-config.mount
●   │ │ ├─sys-kernel-debug.mount
●   │ │ ├─systemd-ask-password-console.path
●   │ │ ├─systemd-binfmt.service
●   │ │ ├─systemd-firstboot.service
●   │ │ ├─systemd-hwdb-update.service
●   │ │ ├─systemd-journal-catalog-update.service
●   │ │ ├─systemd-journal-flush.service
●   │ │ ├─systemd-journald.service
●   │ │ ├─systemd-machine-id-commit.service
●   │ │ ├─systemd-modules-load.service
●   │ │ ├─systemd-random-seed.service
●   │ │ ├─systemd-sysctl.service
●   │ │ ├─systemd-tmpfiles-setup-dev.service
●   │ │ ├─systemd-tmpfiles-setup.service
●   │ │ ├─systemd-udev-trigger.service
●   │ │ ├─systemd-udevd.service
●   │ │ ├─systemd-update-done.service
●   │ │ ├─systemd-update-utmp.service
●   │ │ ├─systemd-vconsole-setup.service
●   │ │ ├─cryptsetup.target
●   │ │ ├─local-fs.target
●   │ │ │ ├─-.mount
●   │ │ │ ├─boot.mount
●   │ │ │ ├─rhel-readonly.service
●   │ │ │ └─systemd-remount-fs.service
●   │ │ └─swap.target
●   │ │   └─dev-disk-by\x2duuid-999dc4a1\x2d79e7\x2d480a\x2dabf5\x2da79a594ed019.swap
●   │ └─timers.target
●   │   └─systemd-tmpfiles-clean.timer
●   ├─getty.target
●   │ └─[email protected]
●   └─remote-fs.target

由上可知，流程大致如下：

1. local-fs.target + swap.target：这两个target主要在挂载本机/etelfstab里面所规范的文件系统与相关的内存交换空间。
2. sysinit.target：这个target主要在侦测硬件，加载所需要的核心模块等动作。初始化系统
3. basic.target：加载主要的外围硬件驱动程序与防火墙相关任务。准备系统
4. multi-user.target下的其它一般系统或网络服务的加载
5. graphical.target图形界面相关服务的加载

相容systemV的rc-local.service

centos6，将某些程序或脚本设置为开机自启，可将其绝对路径写到 /etc/rc.d/rc.local 文件中。

centos7，要使用centos6的方法，除去上述步骤外，还要检查 /etc/rc.d/rc.local 是否具有可执行权限。

rc-local.service 此服务无需启动，会自己判断 /etc/rc.d/rc.local 是否具有可执行权限从而决定是否启动自己

centos7默认是未启动的
查看权限
[root@wenzi ~]# ll /etc/rc.d/rc.local
-rw-r--r--. 1 root root 473 Oct  2  2020 /etc/rc.d/rc.local
查看服务状态
[root@wenzi ~]# systemctl status rc-local.service
● rc-local.service - /etc/rc.d/rc.local Compatibility
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/rc-local.service; static; vendor preset: disabled)
   Active: inactive (dead)
查看是否挂在 multi-user.target ,可见没有查询出结果
[root@wenzi ~]# systemctl list-dependencies multi-user.target | grep rc-local


此时赋予 /etc/rc.d/rc.local 可执行权限
[root@wenzi ~]# chmod a+x /etc/rc.d/rc.local
[root@wenzi ~]# ll /etc/rc.d/rc.local
-rwxr-xr-x. 1 root root 473 Oct  2  2020 /etc/rc.d/rc.local
[root@wenzi ~]# systemctl daemon-reload
[root@wenzi ~]# systemctl list-dependencies multi-user.target | grep rc-local
● ├─rc-local.service

yum安装httpd，手动设置开机自启
[root@wenzi ~]# yum -y install httpd
[root@wenzi ~]# cat /etc/rc.d/rc.local
#!/bin/bash
touch /var/lock/subsys/local
/usr/sbin/apachectl start
[root@wenzi ~]# systemctl daemon-reload

重启系统，观察httpd是否开启自启
[root@wenzi ~]# systemctl status httpd
● httpd.service - The Apache HTTP Server
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/httpd.service; enabled; vendor preset: disabled)
   Active: active (running) since Sat 2023-10-28 14:34:15 CST; 1min 29s ago
发现 rc-local.service 也自动启动了
[root@wenzi ~]# systemctl status rc-local.service
● rc-local.service - /etc/rc.d/rc.local Compatibility
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/rc-local.service; static; vendor preset: disabled)
   Active: active (exited) since Sat 2023-10-28 14:34:15 CST; 7min ago
  Process: 781 ExecStart=/etc/rc.d/rc.local start (code=exited, status=0/SUCCESS)

可知，已实现开机自启

二、核心与核心模块

核心一般是压缩文件，具有模块化功能。核心模块拓展名以 .ko 结尾

存放位置

核心：/boot/vmlinuz 或/boot/vmlinuz-version

核心解压缩所需RAM Disk：/boot/initramfs (/boot/initramfs-version)

核心模块：/lib/modules/version/kernel或/lib/modules/$(uname -r)/kernel

核心原始码：/usr/src/linux或/usr/src/kernels/ (要安装才会有，预设不安装)

核心模块与相依性

核心模块位于 /lib/modules/$(uname -r)/kernel

[root@wenzi ~]# uname -r
3.10.0-1160.el7.x86_64
[root@wenzi ~]# ls /lib/modules/3.10.0-1160.el7.x86_64/kernel/
arch  crypto  drivers  fs  kernel  lib  mm  net  sound  virt

• arch：与硬件平台有关的项目，主要指的是CPU的类别，例如x86、x86_64、Xen虚拟支持等。
• crypto：核心所支持的加密技术，例如md5或者是des等。
• drivers：一些硬件的驱动程序，例如显卡、网络卡、PCI相关硬件等。
• fs：核心所支持的文件系统，例如vfat、reiserfs、nfs等。
• kernel：内核，是操作系统的核心部分，负责管理系统的资源。
• lib：库文件，包含一些函数和数据，供程序在运行时使用。
• mm：内存管理，负责分配和管理系统内存。
• net：网络相关的组件，包括网络协议的实现和网络设备的驱动等。
• sound：声音相关的组件，包括音频设备的驱动和音频信号的处理等。
• virt：虚拟化相关的组件，包括虚拟化技术的支持和虚拟化管理等。

depmod

使用depmod命令生成 modules.dep 文件，此文件记录核心支持的各个模块的相依性。

此文件默认位于 /usr/lib/modules/3.10.0-1160.el7.x86_64/modules.dep

观察核心模块

lsmod

显示目前核心已加载的模块。

内容格式：模块名称 模块大小 此模块是否被其它模块使用

[root@wenzi ~]# lsmod
Module                  Size  Used by
binfmt_misc            17468  1
snd_seq_midi           13565  0
snd_seq_midi_event     14597  1 snd_seq_midi
vmw_vsock_vmci_transport    30577  1
vsock                  36367  2 vmw_vsock_vmci_transport
ext4                  584133  1
...

modinfo

显示内核模块相关信息

[root@wenzi ~]# modinfo xfs
filename:       /lib/modules/3.10.0-1160.el7.x86_64/kernel/fs/xfs/xfs.ko.xz
license:        GPL
description:    SGI XFS with ACLs, security attributes, no debug enabled
author:         Silicon Graphics, Inc.
alias:          fs-xfs
retpoline:      Y
rhelversion:    7.9
srcversion:     ACB9CF86C248DD09DC2B428
depends:        libcrc32c
intree:         Y
vermagic:       3.10.0-1160.el7.x86_64 SMP mod_unload modversions
signer:         CentOS Linux kernel signing key
sig_key:        E1:FD:B0:E2:A7:E8:61:A1:D1:CA:80:A2:3D:CF:0D:BA:3A:A4:AD:F5
sig_hashalgo:   sha256

核心模块的加载和移除

modprobe

modprobe [-cfr] 模块名称

-c：列出目前系统所有的模块

-f：强制加载该模块

-r：移除某个模块

-l：显示可用的模块

-t：指定模块类型

加载vfat模块、移除vfat模块
[root@wenzi ~]# modprobe vfat
[root@wenzi ~]# modprobe -r vfat