CentOS 系统启动流程

2017年10月13日 0

学习笔记

前言

Linux 系统的启动及初始化是 Linux 学习过程中非常重要的一个点，只有洞悉系统启动过程、初始化了哪些内容，才能对 Linux 有更加深入的了解。本文主要描述 CentOS 系统（ PC 架构）从电脑开机到初始化完成整个过程，包括 cpu 加电自检、 bios 寻找启动项、 bootloader 加载系统内核、系统启动并初始化等等。

总览

POST --> Boot Sequence --> Boot Loader --> Kernel --> rootfs --> switchroot --> /sbin/init --> ( /etc/inittab ， /etc/init/*.conf ) --> 设定默认运行级别 --> 系统初始化脚本 --> 关闭或启动对应级别下的服务 --> 启动终端

第一步：加电自检（ `POST` ）

系统加电之后，首先进行的硬件自检，一但通电后主板会自动读取主板 ROM （只读）中的程序，进行加载，计算机会首先加载 BIOS 系统。然后通过加载 CMOS 检查各种硬件设备是否完整存在，如内存，硬盘，显示， IO 设备等。这个时候机器不能获取外部的存储或者网络信息，一些重要的值（日期、时间、其他外部值）都是从CMOS里读取。如果有硬件故障的话将按两种情况理：对于严重故障(致命性故障)则停机，此时由于各种初始化操作还没完成，不能给出任何提示或信号；对于非严重故障则给出提示或声音报警信号，等待用户处理。如果没有故障， POST 完成自己的接力任务，将尾部工作交接给 BIOS 处理。

第二步：系统启动引导（ `Boot Sequence` ）

BIOS 会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（也可以人工介入进行选择）。决定启动介质按照 BIOS 所设定的系统启动流程，根据引导次序（ Boot Sequence ）自上而下的寻找对应存储设备上操作系统的 MBR 。

MBR 是启动硬盘上第 0 磁道第一个扇区，也就是 Master Boot Record ，即主引导记录，它的大小仅有 512 bytes ，但里面却存放了引导区、分区表等信息。可分为三部分：

446 bytes ：引导区（ bootloader ）
64 bytes ：分区表（ PARTITION TABLE ）
2 bytes ：55AA（分区有效性标记， 55AA 为有效，其他为无效）

POST 过程结束后，系统的控制权从 BISO 转交到 bootloader 。 Bootloader 一般存储在系统的硬盘上（传统的 BIOS/MBR 系统）。

第三步：启动加载器（ `Boot Loader` ）

Bootloader 的功能：

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；
把用户选定的内核装载到 RAM 的特定空间中，解压、展开，而后把系统控制权移交给内核；

各个系统的 bootloader 加载器程序也不同：

Windows：ntloader
Linux：
- LILO：LIinux LOader（无法支持大磁盘，1024 柱面后的内容不能加载，现一般用于移动设备）
- GRUB：Grand Uniform Bootloader
- GRUB 0.X：Grub Legacy（CentOS 5/6）
- GRUB 1.X：Grub2（CentOS 7）
- Grub 0.X 和 Grub 1.X 是两种几乎完全不一样的版本。

上面说过， MBR 中给予 bootloader 的空间非常少，只有 446 bytes ，对于要实现多功能的 bootloader 来说，非常不利于扩展和改造，所以 Grub 将程序分为两段：

bootloader（放于 MBR）； 1.5. ：存放在 MBR 之后的扇区，让第一段中的 bootloader 能识别第二段所在的分区上的文件系统；
存放于 /boot/grub （主要负责调用内核及实现其他功能）；

Grub 配置文件示例图：

图片摘自：http://linux.it.net.cn/CentOS/fast/2016/0103/19557.html

注意：除了 MBR 架构，还有 UEFI 、 GPT 等架构，此次主要说 MBR 。

第四步：加载内核（ `Booting The Kernel` ）

Bootloader 加载到内核后，内核会在 ramdisk 中装载（详见《Linux 内核简介》），并进行自身初始化。初始化流程为：

探测可识别到的所有硬件设备；
加载硬件驱动程序；（有可能会借助于 ramdisk 加载驱动）；
以只读方式挂载根文件系统；（确保启动没问题后，再改为读写）；
运行用户空间的第一个应用程序 /sbin/init 进行系统初始化；

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。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。至此，内核级别的启动流程就完成了， /sbin/init 会接手接下来的系统启动流程。

第五步：系统初始化（ `/sbin/init` ）

简介

init 程序的类型分为三种， SysV init ， Upstart 和 Systemd 。 CentOS 5 及之前的系统用的是 SysV init ，而 CentOS 6 用的是 Upstart ，现在 CentOS 7 用的为 Systemd 。

运行级别

init 为了系统的运行或维护等目的，设定了 7 个运行级别：

0 ：关机， shutdown ；
1 ：单用户模式（ single user ）， root 用户登录，无须认证，属于维护模式；
2 ：多用户模式（ multi user ），会启动网络功能，但不会启动 NFS ，属于维护模式；
3 ：多用户模式（ mutli 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 ；

默认级别： 3 ， 5 。级别切换： init n 。级别查看： who -r ， runlevel 。

配置文件

各类型的 init 配置文件存放路径为：

SysV init ： /etc/inittab ；
Upstart ： /etc/inittab ， /etc/init/*.conf ；
Systemd ： /usr/lib/systemd/system/ ， /etc/systemd/system/ ；

以当前使用比较广泛的 /etc/inittab 和文件为例，inittab 的配置格式为：每行定义一种 action 以及与之对应的 process 。

id:runlevels:action:process

# id ：一个任务的标识符；
# runlevels ：在哪些级别启动此任务；#，###，也可以为空，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；
#   respawn ：一旦此任务终止，就自动重新启动之；
#   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（此脚本主要用来完成整个系统初始化）；
# process ：任务；

例如：

# 设定默认运行级别为 3
id:3:initdefault:

# 设定系统初始化方式
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

# 每个运行级别切换时，执行对应的 rc 脚本
l0:0:wait:/etc/rc.d/rc 0
l1:1:wait:/etc/rc.d/rc 1
...
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc 6

/etc/rc.d/rc.sysinit

rc.sysinit 是系统初始化脚本，由 init 进行优先调用以进行系统初始化，其主要实现的功能为：

设置主机名；
设置欢迎信息；
激活 udev 和 selinux ；
挂载 /etc/fstab 文件中定义的所有文件系统；
检测根文件系统，并以读写方式重新挂载根文件系统；
设置系统时钟；
根据 /etc/sysctl.conf 文件来设置内核参数；
激活 lvm 及软 raid 设备；
激活 swap 设备；
加载额外设备的驱动程序；
清理操作；

chkconfig

很多应用在安装时，都会生成一个服务脚本到 /etc/init.d/ 目录下，以便使用 service 命令进行控制。 chkconfig ，就是管控 /etc/init.d/ 下每个服务脚本在各级别下的启动或关闭状态的命令。能被添加进自启动服务的服务脚本，需要在开头添加 chkconfig 定义，比如：

#!/bin/sh
# chkconfig: 2345 80 05
# 2345 为启动 level
# 80 为启动优先权； 05 为停止优先权
# description: Starts and Stops the tomcatSvr daemon.

定义好的服务脚本，在执行 chkconfig name [on|off] 时，会按脚本内的启动 level ，创建超链接到各自的 /etc/rc.d/rc${level}.d/ 目录中。（ K 开头为要停止的服务，后面的数字为优先级，数字越小，越是优先关闭，依赖的服务先关闭，而后关闭被依赖的； S 开头的为要启动的服务，后面的数字为优先级，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。） chkconfig 常用参数：

# 查看
chkconfig --list

# 让服务受 chkconfig 管理（添加管理后， chkconfig 可对 level 进行修改）
chkconfig --add name

# 从 chkconfig 管理中删除服务
chkconfig --del name

# 管理服务
chkconfig [--level ] [--type ]

第六步：启动应用服务（ `/etc/rc.d/rc` ）

通过前面的说明可以知道， /etc/rc.d/rc${level}.d/ 目录中存放了各种需要在不同的 level 下需要启动或关闭的服务脚本超链接，在系统初始化结束后，便会调用 /etc/rc.d/rc 脚本，带入运行级别，去执行各 level 目录下的脚本。其脚本实现框架为：

for  srv  in  /etc/rc.d/rc${level}.d/K*; do
    $srv  stop
done
for  srv  in  /etc/rc.d/rc${level}.d/S*; do
    $srv  start
done

# 其中 level 参数为外部带入。

正常级别下（2345），系统执行完 /etc/rc.d/rc${level}.d/ 目录下的脚本后，都会去执行 /etc/rc.d/rc.local 脚本，因此，不便或不需写为服务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。

[hzz@magedu ~]$ find /etc/rc.d/ -name "*local" -type l -exec ls -l {} \; 
lrwxrwxrwx. 1 root root 11 8月  24 09:59 /etc/rc.d/rc5.d/S99local -> ../rc.local
lrwxrwxrwx. 1 root root 11 8月  24 09:59 /etc/rc.d/rc2.d/S99local -> ../rc.local
lrwxrwxrwx. 1 root root 11 8月  24 09:59 /etc/rc.d/rc3.d/S99local -> ../rc.local
lrwxrwxrwx. 1 root root 11 8月  24 09:59 /etc/rc.d/rc4.d/S99local -> ../rc.local
[hzz@magedu ~]$

第七步：启动终端

系统初始化完成后， init 给出用户登录提示符（ login ）或者图形化登录界面，用户输入用户和密码登陆后，系统会为用户分配一个用户 ID （ uid ）和组 ID （ gid ），这两个 ID 是用户的身份标识，用于检测用户运行程序时的身份验证。登录成功后，整个系统启动流程运行完毕！

其他

前面所说的初始化，大多是以 SysV init 为蓝本的，因为其兼容性最高，但也说到 CentOS 6/7 使用的是完全不同的机制，现在简要说说区别。 CentOS 6 ：使用的 init 程序是 upstart ，但其执行脚本依然命名为 /etc/init 。其配置文件： /etc/init/*.conf （ *.conf 为 upstart 风格的配置文件）， /etc/inittab （仅用于定义默认运行级别）。 CentOS 7 ： init 程序为 systemd 。配置文件： /usr/lib/systemd/system/ ， /etc/systemd/system/ 。虽然 init 程序和配置文件已经是完全不同的两种风格了，但是完全兼容 SysV 脚本机制。因此， service 命令依然可用，不过建议使用 systemctl 命令来控制服务：

systemctl {start|stop|restart|status} name[.service]