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Linux 系统启动流程

Linux系统的组成部分：内核+根文件系统

内核

  • 进程管理
    • IPC Inter Process Communication
    • 消息队列、semerphor、shm
    • socket
  • 内存管理
  • 网络协议栈
  • 文件系统
  • 驱动程序
  • 安全功能

运行中的系统环境：内核空间、用户空间

  • 用户空间（用户模式）：应用程序（进程或线程）
  • 内核空间（内核模式）：内核代码（系统调用）

IPC：Inter Process Communication

  • 本地进程间通信
    • 消息队列
    • semerphor
    • shm
  • 跨主机进程间通信
    • socket

分区

  • 启动分区：/boot
  • rootfs：FHS

内核设计

  • 单内核设计：所有功能集成于同一个程序
    • 代表产品：Linux
  • 微内核设计：每种功能使用一个单独的子系统实现
    • 代表产品：Windows, Solaris

Linux内核特点

  • 支持模块化
    • .ko(kernel object)除了文件系统、驱动程序等主要模块之外都使用了内核对象（模块） 是动态转载卸载的内核模块(某一种功能实现)
    • .so(shared object，共享对象，各种应用程序之间共享的模块)
  • 支持模块运行时动态装载或卸载

Linux内核组成部分：

  • 核心文件：/boot/vmlinuz-VERSION.release

  • rimdisk：虚拟内存盘

  • 模块文件 /lib/modules/$(uname -r)/kernel/

  • 核心文件：文件系统、驱动程序、网络协议等文件

    • /boot/vmlinuz-VERSION.release
      • 核心文件放置文件：编译后的后文件
      • /boot/vmlinuz-3.10.0-327.el7.x86_64
      • /boot/vmlinuz-$(uname -r)
      • z:内核文件压缩后文件格式

  • rimdisk：虚拟内存盘

    • 虚拟内存盘是通过软件将一部分内存（RAM）模拟为硬盘来使用的一种技术。相对于直接的硬盘文件访问来说，这种技术可以极大的提高在其上进行的文件访问的速度。但是RAM的易失性也意味着当关闭电源后这部分数据将会丢失。但是在一般情况下，传递到RAM盘上的数据都是在硬盘或别处永久贮存的文件的一个拷贝。经由适当的配置，可以实现当系统重启后重新建立虚拟盘。
    • CentOS 5: /boot/initrd-VERSION-release.img
      • rd:（ram disk）内存当磁盘使用，磁盘里必须有缓存和缓冲)
    • CentOS 6,7: /boot/initramfs-VERSION-release.img
      • ramfs：文件系统，避免双缓存缓冲，提高性能速度

  • Linux 模块文件

    • /lib/modules/$(uname -r)/kernel/
      • arch 平台相关的特有代码（汇编级别）
      • fs 文件系统，ext2,ext3编译进内核中
      • drives 驱动程序
      • crypto 加密/解密组件模块
      • lib 库
      • mm 内存功能
      • net 网络功能
      • sound 声音相关驱动程序，解码器
      • kernel 内核追中到的文件模块

Linux 内核版本

  • mainline：正在研发主板版本

  • stable: 稳定版，不增加功能，只要负责修复bug

  • longterm: 长期维护版

  • linux-next

  • CentOS 6: 2.6.X

  • CentOS 7 ,MNBVCXZAhj

`: 3.10.X

内核启动之后，加载根文件系统,然后运行init进程，init进程用户所有进程，内核退回只在特权指令时运行

CentOS 系统的启动流程

1. POST（Power On Self 加电自检，检查内存，磁盘，显示等硬件是否存在）

  • ROM: CMOD（主板上的识别设备只读程序）
    • BIOS: Basic Input and Output System，基本输入输出系统
    • ROM + RAM: 只读内存+随机内存

2. Boot Sequence: 引导过程

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

  • bootloader：引导加载器，程序

    • Windows：ntloader
    • Linux:
      • LILO: LInux LOader(手机设备)
      • GRUB: Grand Uniform Bootloader,同一引导加载器
        • GRUB 0.x(Grub Legacy): CentOS 5,6
        • GRUB 1.x: (Grub2,完全重写) CentOS 7
    • 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；把用户的选定的内核装载到RAM中的特定空间中，解压、展开，而后把系统控制移交给内核；

  • MBR：Master Boot Record, 512bytes

    • 446bytes: bootloader
    • 64bytes: fat filesystem all table
    • 2bytes: 55AA(有效MBR)

注意：UEFI, GPT

  • GRUB: 两个阶段
    • Bootloader: 1st stage
    • Partition: filesystem diver 1.5 stage
    • Partition: /boot/grub, 2nd stage

3. Kernel

  • 自身初始化

    • 探测可识别到的所有硬件设备
    • 加载硬件驱动程序（有可能借助于ramdisk加载驱动）
    • 以只读方式挂载根文件系统
    • 运行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init

  • init程序类型：

    • CentOS 5>：SysV init

      • 配置文件：/etc/inittab

    • CentOS 6: Upstart(基于Ubuntu)

      • 配置文件：/etc/initab(废弃), /etc/init/*.conf

    • CentOS 7: Systemd

      • 配置文件：/usr/lib/systemd/system/, /etc/systemd/system/

  • ramdisk

    • Linux内核的特性之一：使用缓冲和缓存来加速对磁盘上的文件访问

    • ramdisk --> 内存当磁盘使用

    • ramdisk --> ramfs 提速机制

    • CentOS 5: initrd

      • 工具程序：mkinitrd

    • CentOs 6,7: initramfs

      • 工具程序：dracut,mkinitrd

系统初始化流程（内核级别）

  1. POST
  2. BootSequence(BIOS)
  3. Bootloader(MBR)
  4. Kernel(ramdisk)
  5. rootfs(read only，避免BUG)，自动挂载根文件系统
  6. switchroot
  7. 运行用户空间的/sbin/init程序
  8. (/etc/inittab, /etc/init/*.conf)
  9. 设定默认运行界别
  10. 系统初始化脚本
  11. 关闭或启动对应界别下的服务
  12. 启动终端

注意：Bootleader不能加载软设备上 内核文件必须放在基本磁盘设备上（不能放在LVM等设备上）

  • /sbin/init
    • CentOS 5: Sysv init

运行级别：为了系统的运行或维护的目的而设定的机制

  • 0: 关机模式，shutdown

  • 1: 单用户模式（single user),root用户，无需认证；维护模式

  • 2：多用户模式（multi user），有认证机制，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，目前无特别适用目的，当习惯一同3级别功能使用

  • 5：多用户模式（multi user），完全功能模式；同行界面

  • 6：重启模式,reboot

  • 默认级别：

    • 3: 服务器
    • 5: 个人级别

界别切换命令

# init [0-6]

级别查看

# who -r
# runlevel
  • N 3:
    • N: 上一个级别 3：当前级别
    • N：表示没有上一个级别

配置文件：/etc/inittab

每行定义一种 action 以及与之对应的 process(CentOS 5)

id:runlevels:action:process

  • id：一个任务的标识符
  • runlevels：在哪些级别启动此任务;# or ###，也可以为空，表示所有级别
  • action: 在什么条件下启动此任务
  • process: 任务(应用程序或脚本)

action

  • wait: 等待切换至此任务所在的级别时执行一次(刚刚切换时执行一次)
  • respawn: 一旦此任务终止时，就自动重新启动之, Login -> login ->login(提示)
  • initdefault: 设定默认运行级别；此时，process省略
  • 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)

例如

id:3:initdefault
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit 系统初始化

l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0 切换至0级别时执行/etc/rc.d/rc 参数为0

rc脚本：接受一个运行界别数字为参数

l0:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
l0:2:wait:/etc/rc.d/rc 2
l0:3:wait:/etc/rc.d/rc 3
l0:4:wait:/etc/rc.d/rc 4
l0:5:wait:/etc/rc.d/rc 5
l0:6:wait:/etc/rc.d/rc 6

lo:0:wait:/etc/rc.d/rc 3 意味着启动或关闭 /etc/rc.d/rc3.d/ 目录下的服务脚本所控制服务

  • K*：要停止的服务

    • K##*：优先级，数字越小, 越优先关闭
    • 依赖的的服务先关闭，而后关闭被依赖的

  • 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

rc 脚本：接受一个运行界别数字为参数

脚本框架

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

/etc/init.d/* (/etc/rc.d/init.d/*)

脚本执行方式

# /etc/init.d/SRV_SCRIPT {start|stop|restart|status}

/etc/init.d = /etc/rc.d/init.d

# /etc/initd./crond {start|stop|restart|status}
# service SRV_SCRIPT {start|stop|restart|status}

chkconfig 命令

创建K*,S*文件

管控/etc/init.d/每个服务脚本在各个级别下的启动或关闭状态

查看

# chkconfig --list [SERVICE_NAME]

添加

# chkconfig --add SERVICE_NAME`

能被添加的服务的脚本定义格式之一

#!/bin/bash
# chkcofig: 2323 START_nice STOP_nice
# description: content

删除

# chkconfig --del SERVICE_NAME

修改指定的链接类型

#chkconfig [--level LEVELS] name <on|off|reseat>

--level LEVELS：指定要控制的级别；默认为2345

启动级别

  • 启动优先级：小于所有依赖于此服务的其他服务的优先级（因为他被依赖，先启动）
  • 关闭优先级：大于所有依赖于此服务的其他服务的优先级（因为他被依赖，后关闭）
# vim /etc/init.d/testsrv
  #!bin/bash
  # testsrv This starts and stops testsrv
  #
  # chkconfig: 2345 11 88 - 11 99 任何级别都没有
  # description: This test service
  # `
  prog=$(basename $0)
  if [ $# -lt 1 ]; then
    echo "User:$prog {start|stop|status|restart}"
    exit 1
  fi

  if [ "$1" == "start" ]; then
    echo "Start $prog finished."
  elif [ "$1" == "stop" ]; then
    echo "Stop $prog finished."
  elif [ "$1" == "restart" ]; then
    echo "Restart $prog finished."
  elif [ "$1" == "status" ]; then
    if pidof $prog &> /dev/null; then
      echo "$prog is running"
    else
      echo "$prog is stopped."
    fi
  else
    echo "Usage: $prog {start|stop|status|restart}";
    exit 2
  fi

# chmod +x testsrv
# bash -n testsrv
# chkconfig --add testsrv 初始化testsrv服务
# chkconfig testsrv on
# ls /etc/rc.d/rc3.d/ | grep testsrv
# chkconfig --del testsrv
# chkconfig --level 0123456 testsrv off
# chkconfig --level 35 testsrv on

注意： 正常级别下，最后启动的一个服务S99local没有链接至/etc/init.d下的某脚本，而是链接至了/etc/rc.d/rc.local脚本；因此，不便或不需要为脚本的程序期望能开机自动运行时，直接放置于此脚本文件中即可。

/etc/rc.d/rc3.d/S99local => /etc/rc.d/rc.local
/etc/rc.local => /etc/rc.d/rc.local

tty1:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty1
tty6:2345:respawn:/usr/sbin/mingetty tty6
  1. mingetty调用login程序
  2. 打开虚拟终端的程序除了mingetty之外，还有诸如gettty等
tty7:5:respawn:/etc/X11/

CentOS 5 系统初始化脚本

/etc/rc.d/rc.sysinit

  1. 设置主机名 /bin/hostname, /etc/sysconfig/network
  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，并以读写方式挂载根文件系统
  6. 设置系统时钟
  7. 根据/etc/sysctl.conf文件的设置内核参数
  8. 激活vim及软raid设备
  9. 激活swap设备
  10. 加载额外设备的驱动程序
  11. 清理操作

用户空间的启动流程：/sbin/init(/etc/inittab)

  1. 设置默认运行级别
  2. 运行系统初始化脚本，完成系统初始化
  3. 关闭对应级别下要停止的服务，启动对应级别下需要开启的服务
  4. 设置登录终端
  5. 启动图形终端

###　CentOS 6

  • init程序：upstart，但依然为/sbin/init，其配置文件：
    • /etc/init/*.conf, /etc/inittab(仅用于定义默认运行级别)
    • 注意：*.conf为upstart风格的配置文件
      • rcS.conf 初始化脚本
      • rc.conf 服务开发关闭脚本
      • start-ttys.conf 启动终端服务脚本

CentOS 7

  • init程序：systemd
    • 配置文件:/usr/lib/systemd/system/*, /etc/systemd/system/*
    • 完全兼容Sysv脚本机制；service命令依然可以使用；建议使用systemctl命令来控制服务
# systemctl {start|stop|restart|status} name[.service]
# systemctl get-default

multi-user.target

启动为什么快？

所有服务都没有启动。当第一次启动的时候启动服务

博客作业：UEFI,GPT;CentOS启动流程

CentOS 6启动流程

  1. POST
  2. Boot Sequence(BIOS)
  3. Boot Loader(MBR)
  4. Kernel(ramdisk)
  5. rootfs
  6. switchroot
  7. /sbin/init
  8. (/etc/inittab, /etc/init/*.conf)
  9. 设定默认运行界别
  10. 系统初始化脚本
  11. 关闭或启动对应级别下的服务
  12. 启动终端并显示登录提示符

##　GRUB(Boot Loader)

grub: Grand Unified Bootloader

  • Grub 0.x: grub legacy
  • Grub 1.x: grub2

Grub legacy

  • Stage1: mbr

  • Stage1_5: mbr之间的扇区，让stage1中的boot loader能识别stage2所在的分区上的文件系统

  • Stage2: 磁盘分区（/boot/grub/）

  • 配置文件：/boot/grub/grub.conf <-- /etc/grub.conf

Stage2 及内核等通常放置于一个基本磁盘分区

  • 功用：
  1. 提供菜单，并提供交互式接口
e: 编辑模式，用于编辑菜单
c: 命令模式，交互式接口
  1. 加载用户选择的内核或操作系统
允许传递参数给内核
可隐藏此菜单
  1. 为菜单提供了保护机制
- 为编辑菜单进行认证
- 为启动内核或操作系统进行认证

grub 如何识别设备

  • hd#, #（hd：hardware，#:第几块磁盘，第几个分区）
    • hd#：磁盘编号，用数字表示；从0开始编号
    • #：分区编号，用数字表示；从0开始编号
    • (hd0,0)

grub 的命令行接口

help：获取帮助列表
help root：设置grub的根设备
help KEYWORD：详细帮助信息
find (hd#,#)/PATH/TO/SOMEFILE
find (hd0,0)/wmlinuz- tab键
root (hd#,#) 设定哪个设备的哪个分区作为根文件系统
root (hd0,0)
find /vmlinuz-2.6.32-504.e.....
kernel /PATH/TOKERNEL_FILE：本次启动时用到内核文件(z代表压缩文件)；额外还可以添加许多内核支持使用的cmdline参数：
  例如：`init=/path/to/init, selinux=0`
initrd /PATH/TO/INITRAMFS_FILE：设定为选定的内核提供额外文件的ramdisk
boot：引导启动选定的内核

手动在 grub 命令行接口启动系统

grub> root(hd0,0) 选择根文件系统
grub> kernel /vmlinuz-VERSION-RELEASE ro root=/dev/mapper/vg0-root quite 启动内核文件，只读，选择根文件系统设备，静默模式(初始化显示信息不现实)
grub> initrd /initramfs-VERSION-RELEASE.gim 默认启动程序
grub> boot

grub2 命令行接口

help        显示所有可用命令
ls          列出当前的所有设备
ls -l       列出当前的所有设备，对于分区显示其label及uuid
ls (hd1,1)  列出(hd1,1)分区下文件
search -f /ntldr  列出根目录里包含ntldr文件的分区，返回为分区号
search -l Linux   搜索label是linux的分区
search --set -f /ntldr  搜索根目录包含ntldr文件的分区并设为root，注意如果多外分区含有ntldr文件,set失去作用
set root=   设置变量的值
set timeout=  设置变量的值
调用变量的值时，使用${AA}，如set root=(hd1,1)，则${root}=(hd1,1)
linux取代grub中的kernel
boot

GRUB 配置文件：/boot/grub/grub.conf

  • default=0 设定默认启动的菜单项;菜单项(title)编号从0开始

  • timeout=5 指定菜单项等待选项选择的时长

  • splashimage=(hd0,0)/grub/xpm.gz 菜单背景图片文件路径(14位图像600x800)

  • hiddenmenu 隐藏菜单

  • password [--md5] STRING：菜单编辑认证

    • Password --md5 $1$TOrM8/$zY5p2Lr4CbXBqXyfguLaG.

  • title TITLE : 定义菜单项的标题，可出现多次

    • root (hd#,#)：grub查找stage2及kernel文件所在设备分区；为grub的根
    • kernel /PATH/TO/vmlinuz_FILE [PARAMETERS] 启动的内核
    • initrd /PATH/TO/INITRAMFS_FILE : 内核匹配的 ramfs文件
    • password [--md5] STRING：启动选定的内核或操作系统时进行认证
      • # grub-md5-crypt：生成grub密码复制到 "STRING" 位置
      • # openssl 生成密码串

如何进入单用户模式？

  1. 编辑 grub 菜单(选定要编辑的title,而后使用e命令）
  2. 在选定的kernel后附加; 1,s,S或single都可以
  3. 在 kernel 所在上，键入**"b"命令**

安装 grub 方法（2种）

1. 第一步
# grub-install --root-directory=ROOT /dev/DISK

2. grub 修复
# grub> root (hd#,#)   stage1,stage1.5必须存在
# grub> setup (hd#)

创建系统

添加一个硬盘sdb

  • 创建分区：boot(100Mb), root(5G)，swap(1G)
  • 创建文件系统:ext4,ext4
  • 挂载文件：
# mkdir /mnt/boot
# mount /dev/sdb1 /mnt/boot/
# ls /mnt/boot
# grub-install --root-directory=/mnt /dev/sdb
# ls -l /mnt/boot/grub/

没有grub配置文件，需要自己配置

# vim /mnt/boot/grub/grub.conf
default=0
timeout=5
titie Centos(Expres)
  root (hd0,0)
  kernel /vmlinuz ro root=/dev/sda3 selinux=0 init=/bin/bash
  initrd /initramfs.img

没有kernel文件，需要复制

# cp /boot/vmlinuz-ss /mnt/boot/vmlinuz

没有initramfs文件，需要复制

# cp /boot/initramfs-.. /mnt/boot/initramfs.img

创建系统目录

# mkdir /mnt/sysroot
# mount /dev/sdb3 /mnt/sysroot/
# cd /mnt/sysroot/
# mkdir -pv etc bin sbin lib lib64 dev proc sys tmp var usr home root mnt media
# cp /bin/bash /mnt/sysroot/bin/
# ldd /bin/bash` 查看bash依赖哪些库文件
# cp /li64/libtiinfo.so.5 /mnt/sysroot/lib64/
......
# chroot /mnt/sysroot/ 切换根文件系统
# sync 同步

创建虚拟机刚才创建生成的新的系统磁盘

...

grub菜单文件丢失怎么办？

grub文件丢失，说明bootloader丢失

修复MBR,硬盘接到其他机器上，修复MBR的bootloader程序

# dd if=/dev/sda of=/root/mbr.bak count=1 bs=512
# dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=200 count=1
# sync 同步到磁盘上

# grub-install --root-directory=/ /dev/sda boot所在的根目录
# sync

# dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=200 cont=1
# grub

grub> root (hd0,0)
grub> setup (hd0)  hd0硬盘
grub> exit

# sync
# reboot

紧急求援模式

# dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=200 cont=1
# sync
# reboot
  1. 载入光盘设备：
  • 选择 Rescure installed system
  • 输入 boot: linux rescure
# chroot /mnt/sysimage/
# grub-install --root-directory=/ /dev/sda
# reboot

练习

  1. 新加硬盘，提供直接单独运行bash系统
  2. 破坏本机grub stage1, 而后在救援模式下修复之
  3. 为grub设备保护功能

ldd命令

应用程序命令所依赖的库文件

# ldd /PATH/TO/COMMAND

  • 库文件名 => 库文件路径
  • linux-vdso.so.1 => (0x00008fffea5a3000) 系统调用库入口
  • /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 各应用程序调用其他库文件入口

# ldd /bin/ls | grep -o "/lib[^[:space:]*"