CentOS系统启动流程

CentOS系统启动流程

 POST --> Boot Sequence（BIOS） --> Boot Loader(MBR) --> kernel(ramdisk) --> rootfs(readonly) --> switchroot --> /sbin/init(CentOS 5,6,7不同) --> 设置默认运行级别 --> 运行系统初始化脚本，完成系统初始化 --> 关闭启动对应级别下需要停止的服务，启动对应级别下需要开启的服务 --> 设置登录终端（启动终端图形终端）--> 操作系统启动完成

CentOS系统启动流程（内核级别）

1、POST：加电自检

  开机加电后，系统自检硬件设备包括cpu、内存、硬盘、显示设备等，这个过程叫加电自检POST；一旦通电会自动读取ROM有个带电芯片CMOS程序并运行即按次序查找可引导设备，第一个有引导程序的设备即为本次启动要用到的设备；引导程序叫bootloader引导加载器。

2.BIOS：第一顺序启动的设备（基本输入输出系统 Basic Input and Cutput System）

   ROM中的信息一旦写入就不能进行修改，其信息断电之后也仍然保留。而CMOS是微机主板上的一块可读写的RAM芯片断电以后保存在上面的数据会自动消失，需要主板电池供电；对CMOS中各项参数的设定要通过专门的程序，现在厂家将CMOS设置程序做到了BIOS芯片中，因此CMOS设置又通常叫做BIOS设置。BIOS（基本输入输出系统）也是固化在当前主机ROM芯片中的代码，实现按次序查找各引导设备，第一个有引导程序的设备即为本次启动要用到的设备。

3.Boot Squence：引导加载程序启动内核

   按次序查找引导设备，第一个有引导程序的设备即为本次启动要用到的设备；

    bootloader引导加载器、程序：

     Windows：由ntlader引导加载器

     Linux：

      （1）LTLO：Linux Loder(无法支持大磁盘，1024后不能加载)

      （2）GRUB: Grand Uniform Bootloder（统一引导加载器）

           GRUB 0.X:Grub Legacy（传统版本）

           GRUB 1.X:Grub2 （第二版本）

   功能：提供一个菜单，允许用户选择要启动的系统或不同的内核版本，把用户选定多内核装载到RAM（内存）中的特点空间中，解压、展开，而后把整个系统控制权移交给内核，即完成把内核加载到内存空间中。

   Bootloader引导加载器是安装在硬盘或光盘甚至是U盘上的程序，系统加电后运行的第一段软件代码。  

   Bootloader引导加载程序位于磁盘中的MBR中，每个磁盘或每个磁盘中的分区中都有MBRMBR是磁盘上的第一个扇区又叫做主引导扇区，是计算机开机后访问硬盘时所必须要读取的首个扇区，分三部分：

  MBR：Master Boot Record（主引导记录）

   512bytes：

     446bytes：bootloader（引导程序LTLO或GRUB）

     64bytes：fat（分区表，文件系统分配表）

     2bytes：55AA（标记MBR有效）

   MBR是由分区程序（如Fdisk，Parted）所产生的，它不依赖任何操作系统，而且硬盘引导程序也是可以改变的，从而能够实现多系统引导。仅仅包含一个64个字节的硬盘分区表。由于每个分区信息需要16个字节，所以对于采用MBR型分区结构的硬盘(其磁盘卷标类型为MS-DOS)，最多只能识别4个主要分区。所以对于一个采用此种分区结构的硬盘来说，想要得到4个以上的主要分区是不可能的。这里就需要引出扩展分区，扩展分区也是主分区（Primary partition）的一种，但它与主分区的不同在于理论上可以划分为无数个逻辑分区，每一个逻辑分区都有一个和MBR结构类似的扩展引导记录(EBR)。

 Linux中有多种引导加载程，常见的有最早的LILO，缺点：LILO无法支持大硬盘，如果内核或加载的系统位于1024柱面以后的分区上，LILO是加载不了，但在安卓手机上应用较广泛；后来被GRUB取代，GRUB有两个版本GRUB 0.x（Grub Legacy）和GRUB 1.x（Grub2）两者从设计理念上完全不同。

  Linux中的引导加载程Bootloader有多种实现方式：

    LILO：LIinux LOader

    GRUB：Grand Uniform Bootloader

        GRUB 0.x：Grub Legacy

         GRUB 1.x：Grub2

  GRUB（Boot Lloader）：

    bootloader：1st stage（对MBR而言bootloader是加载其第二阶段，不是加载内核）

    Partiton：filesystem driver，1.5 stage

    Partition：/boot/grub,2nd stage

    加载后可在操作系统之前提供一个操作系统（即一个接口），然后加载内核；

  Grub Legacy：分三阶段

    stage1：存放在MBR上

    stage1_5：存放在MBR之后的扇区，让stage1中的bootloader能识别stage2所在的分区上的文件系统；

    stage2：磁盘分区（/boot/grub/）

   引导加载程序先读取MBR上的gurb第一阶段，由于MBR很小只有512字节采用grub这种方式引导程序，随后读取扇区中的stage1.5阶段，读取1.5阶段以后从而就能驱动第二阶段stage2所在的磁盘分区，stage2是存放在磁盘分区上的还包括了内核文件及ramdisk等都在这个分区上存放的；这就是为什么通过Bootloader之grub就能够加载内核文件的原因。

  注意：当前硬件平台，主板BIOS必须能识别硬盘，然后BIOS才能加载硬盘中的Bootloader，磁盘中的Bootloader自身加载完以后，就能够识别当前主机上的硬盘设备了。

但硬盘设备能识别，并不代表硬盘上的文件系统能识别，因为文件系统是额外附加的一层软件组织的文件结构，所以要能够对接一种文件系统，必须要用到文件系统驱动；对应的应用程序必须能识别和理解这样的文件系统才可以，这种程序就称为文件系统驱动；grub的1.5阶段就是给gurb提供了文件系统驱动的，从而就能够访问对应的第二阶段和内核所在的分区了，这通常是一个基本磁盘分区；所以grub第二阶段以及内核和ramdisk文件通常都会放在一个基本磁盘分区上；因为grub驱动不了逻辑卷这种高级接口。

 stage2一般是挂载至/boot/grub/目录下；grub也有自己的配置文件：/boot/grub/grub.conf且通常有个符号链接文件：/etc/grub.conf；

 stage2的功用：

 （1）提供菜单或交互式接口；

 （2）能加载用户选择的内核或操作系统；

 （3）为菜单通过了保护机制。

4.加载 kernel

（1）通过grub加载到内核后，就在内存中解压并展开就可完成后续操作即内核自身初始化；分为四步：

   第一：探测可识别的所有硬件设备

   第二：加载硬件驱动程序；（有可能会借助于randisk加载驱动）

   第三：以只读方式挂载根文件系统

   第四：运行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init

 （其中有可能会借助于randisk加载驱动，ramdisk：是基于内存的磁盘设备；以只读方式挂载根文件原因是防止内核中有bug，确保无问题后再改为读写方式；）

（2）如果内核把已知根文件系统所在的磁盘设备驱动程序编译进内核（一般自己编译内核含此驱动），此时就不需要这个ramdisk，所以发行商提供的安装系统文件不可能包含所有驱动在内核中。

这样，要想加载根文件系统，就要先加载根文件系统所在的磁盘设备驱动，而驱动就在根上因此，就不能依赖于根上的驱动程序来加载根文件系统；要借助于ramdisk临时根文件系统来加载根文件系统所在的磁盘设备驱动，从而加载根文件系统；

   ramdisk临时根文件系统不是操作系统发行商直接在光盘上自带的，而是在安装操作系统后临时生成的，它在安装操作系统后，能扫描当前主机硬盘设备的型号，并找到相关驱动做成一个临时根；所以这个临时根是为每个用户安装过程生成以后动态创建的。

   ramdisk临时根是把内存某段空间当做磁盘使用，而Linux内核特性是使用缓冲和缓存来加速对磁盘上的文件访问，这就是为什么在centos5上使用ramdisk（initrd），在后来的centos6,7上使用的ramfs的原因，避免了在内存中的双缓冲和双缓存。

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5.挂载根文件系统

  一旦内核借助于ramdisk提供的临时根完成加载真正的根文件系统所在的设备，下一步就装载根文件系统，内核会自动把根文件系统所在的设备挂载至根上，所以说根是在内核中就是这个原因所在。

6.根切换

  在挂载根文件系统时为了避免内核中有bug或操作过程中有bug导致根文件系统被损坏，先只读挂载根文件系统，加载完成后才读写挂载，完成整个挂载根文件系统后，直接去找/sbin/init程序，即开始运行用户空间的第一个程序。

用户空间启动流程

7./sbin/init程序

  init程序主要依赖于配置文件：/etc/inittab，大体分为：设定默认启动级别 --> 设定系统初始化脚本 --> 启动对应级别的服务 --> 打印各终端登录界面（如果级别为3处理提供文本登录界面，如果级别为5还提供图形登录界面）

8. 设置默认运行级别

  （1）运行级别：为了系统的运行或维护等目的而设定的机制；

    0-6：共7个级别；

     0：关机，shutdown

     1：单用户模式（single user），root用户，无须认证，维护模式；

     2：多用户模式（multi user），会启动网络功能，但不会启动NFS，维护模式；

     3：多用户模式（multi user），完全功能模式，文本界面；

     4：预留级别：目前无特别使用目的，但习惯以同3级别功能使用；

     5：多用户模式（multi user），完全功能模式，图形界面；

     6：重启，reboot

  （2）配置文件：/etc/inittab定义了很多功能，每一行定义一种操作（action）以及与之对应的process（仅适用于CentOS 5），一行就定义了init要执行的任务，甚至是一堆任务，每一行的语法格式为：                                                             id:runlevels:action:process

  id为一个任务的标识符；

  runlevels：在哪些运行级别下启动此任务；例：3，2345，也可为空表示所有级别；

  action：在什么条件下启动此任务；

    wait：等待切换至此任务所在的级别时执行一次（刚刚切换进来时）；

    respawn：一旦此任务终止时，就自动重启；（如：登录终端执行logout登出后会再次启动）

    initdefault：设定默认允许级别；此时process省略为空；

    sysinit：设定系统初始化方式，此处一般为指定/etc/rc.d/rc.sysinit脚本；（CentOS 5,6都用到此脚本，CentOS 7是靠systemd完成的），在CentOS 6中仅保留此配置文件中设定启动运行级别的功能。

    process：具体任务；通常为应用程序，或脚本，或二进制的程序，取决于自定义。

9.系统初始化脚本

系统初始化脚本：/etc/rc.d/rc.sysinit

（1）设置主机名；

（2）设置欢迎信息；

（3）激活udev和selinux；

（4）挂载/etc/fstab文件中定义的所有文件系统；

（5）检测根文件系统，并以读写方式重新挂载根文件系统；（重新挂载是指根文件检测完之后）

（6）设置系统时钟；

（7）根据/etc/sysctl.conf文件来设置内核参数；

（8）激活lvm即软raid设备；

（9）激活swap设备；

（10）加载额外设备的驱动程序；（内核加载驱动只加载根文件系统的）

（11）清理操作；

注意：在init配置文件：/etc/inittab中，有一行内容是定义/etc/rc.d/rc.sysinit，此脚本文件是负责完成系统初始化的脚本文件。

10.关闭/启动对应级别下的服务

  脚本文件/etc/rc.d/rc作用为当级别切换时启动或停止服务；此脚本接受传递的参数给脚本中$runlevel变量，然后，读取/etc/rc$runlevel.d/K*和/etc/rc$runlevel.d/S*所有文件，这些文件就是为什么开机启动后，有些服务会自动启动，有些服务没有启动的原因。

K*：要停止的服务，K##*，优先级，数字越小，越优先关闭，依赖的服务先关闭，然后再关闭被依赖的。

S*：要启动的服务，S##*，优先级，数字越小，越是优先启动，被依赖的服务先启动，而依赖的服务后启动。

/etc/rc.d/init.d目录还有个链接目录为/etc/init.d目录，这两目录下文件相同。

11.启动终端（图形终端）

 操作系统启动完成

相关概念：

   Linux系统的组成部分：内核+根文件系统

   内核：进程管理、内存管理、网络协议栈、文件系统、驱动程序。

   IPC(Inter-Process Communication进程间通信):就是指多个进程之间相互通信，交换信息的方法。Linux IPC基本上都是从Unix平台上继承而来的。主要包括最初的Unix IPC，System V IPC以及基于Socket的IPC。另外，Linux也支持POSIX IPC。

   运行中的系统环境可分为两层：内核空间、用户空间；

      内核空间：内核代码（系统调用）

      用户空间：应用程序（进程或线程）

   内核设计流派：

      单内核设计：把所有的功能集成于同一个程序；（Linux）

      微内核设计：每种功能都使用一个单独的子系统实现；（Windows solarls）

   Linux内核特点：

     （1）支持模块化：.KO（kernel object）

     （2）支持模块运动时动态装载或卸载

   组成部分：

      核心文件：/boot/Vmliuz-VERSION-release

        ramdirk:

           CentOS5:/boot/initrd-VERSION-release.img

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