CentOS系統啟動流程

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CentOS系統啟動流程

 

 

 POST --> Boot Sequence（BIOS） --> Boot Loader(MBR) --> kernel(ramdisk) --> rootfs(readonly) --> switchroot --> /sbin/init(CentOS 5,6,7不同) --> 設定預設運行層級 --> 運行系統初始化指令碼，完成系統初始化 --> 關閉啟動對應層級下需要停止的服務，啟動對應層級下需要開啟的服務 --> 設定登入終端（啟動終端圖形終端）--> 作業系統啟動完成

 

CentOS系統啟動流程（核心層級）

1、POST：加電自檢

  開機加電後，系統自檢硬體裝置包括cpu、記憶體、硬碟、顯示裝置等，這個過程叫加電自檢POST；一旦通電會自動讀取ROM有個帶電晶片CMOS程式並運行即按次序尋找可引導裝置，第一個有引導程式的裝置即為本次啟動要用到的裝置；引導程式叫bootloader引導載入器。

 

 

2.BIOS：第一順序啟動的裝置（基本輸出入系統 (BIOS) Basic Input and Cutput System）

   ROM中的資訊一旦寫入就不能進行修改，其資訊斷電之後也仍然保留。而CMOS是微機主板上的一塊可讀寫的RAM晶片斷電以後儲存在上面的資料會自動消失，需要主板電池供電；對CMOS中各項參數的設定要通過專門的程式，現在廠家將CMOS設定程式做到了BIOS晶片中，因此CMOS設定又通常叫做BIOS設定。BIOS（基本輸出入系統 (BIOS)）也是固化在當前主機ROM晶片中的代碼，實現按次序尋找各引導裝置，第一個有引導程式的裝置即為本次啟動要用到的裝置。

 

3.Boot Squence：引導載入程式啟動核心

   按次序尋找引導裝置，第一個有引導程式的裝置即為本次啟動要用到的裝置；

    bootloader引導載入器、程式：

     Windows：由ntlader引導載入器

     Linux：

      （1）LTLO：Linux Loder(無法支援大磁碟，1024後不能載入)

      （2）GRUB: Grand Uniform Bootloder（統一引導載入器）

           GRUB 0.X:Grub Legacy（傳統版本）

           GRUB 1.X:Grub2 （第二版本）

   功能：提供一個菜單，允許使用者選擇要啟動的系統或不同的核心版本，把使用者選定多核心裝載到RAM（記憶體）中的特點空間中，解壓、展開，而後把整個系統控制權移交給核心，即完成把核心載入到記憶體空間中。

   Bootloader引導載入器是安裝在硬碟或光碟片甚至是隨身碟上的程式，系統加電後啟動並執行第一段軟體代碼。  

   Bootloader引導載入程式位於磁碟中的MBR中，每個磁碟或每個磁碟中的分區中都有MBRMBR是磁碟上的第一個扇區又叫做主開機磁區，是電腦開機後訪問硬碟時所必須要讀取的首個扇區，分三部分：

  MBR：Master Boot Record（主引導記錄）

   512bytes：

     446bytes：bootloader（引導程式LTLO或GRUB）

     64bytes：fat（分區表，檔案系統分配表）

     2bytes：55AA（標記MBR有效）

   MBR是由分區程式（如Fdisk，Parted）所產生的，它不依賴任何作業系統，而且硬碟引導程式也是可以改變的，從而能夠實現多系統引導。僅僅包含一個64個位元組的硬碟分區表。由於每個分區資訊需要16個位元組，所以對於採用MBR型分區結構的硬碟(其磁碟卷標類型為MS-DOS)，最多隻能識別4個主要分區。所以對於一個採用此種分區結構的硬碟來說，想要得到4個以上的主要分區是不可能的。這裡就需要引出擴充分區，擴充分區也是主要磁碟分割（Primary partition）的一種，但它與主要磁碟分割的不同在於理論上可以劃分為無數個邏輯分區，每一個邏輯分區都有一個和MBR結構類似的擴充引導記錄(EBR)。

 Linux中有多種引導載入程，常見的有最早的LILO，缺點：LILO無法支援大硬碟，如果核心或載入的系統位於1024柱面以後的分區上，LILO是載入不了，但在安卓手機上應用較廣泛；後來被GRUB取代，GRUB有兩個版本GRUB 0.x（Grub Legacy）和GRUB 1.x（Grub2）兩者從設計理念上完全不同。

 

  Linux中的引導載入程Bootloader有多種實現方式：

    LILO：LIinux LOader

    GRUB：Grand Uniform Bootloader

        GRUB 0.x：Grub Legacy

         GRUB 1.x：Grub2

  GRUB（Boot Lloader）：

    bootloader：1st stage（對MBR而言bootloader是載入其第二階段，不是載入核心）

    Partiton：filesystem driver，1.5 stage

    Partition：/boot/grub,2nd stage

    載入後可在作業系統之前提供一個作業系統（即一個介面），然後載入核心；

 

  Grub Legacy：分三階段

    stage1：存放在MBR上

    stage1_5：存放在MBR之後的扇區，讓stage1中的bootloader能識別stage2所在的分區上的檔案系統；

    stage2：磁碟分割（/boot/grub/）

   引導載入程式先讀取MBR上的gurb第一階段，由於MBR很小隻有512位元組採用grub這種方式引導程式，隨後讀取扇區中的stage1.5階段，讀取1.5階段以後從而就能驅動第二階段stage2所在的磁碟分割，stage2是存放在磁碟分割上的還包括了核心檔案及ramdisk等都在這個分區上存放的；這就是為什麼通過Bootloader之grub就能夠載入核心檔案的原因。

  注意：當前硬體平台，主板BIOS必須能識別硬碟，然後BIOS才能載入硬碟中的Bootloader，磁碟中的Bootloader自身載入完以後，就能夠識別當前主機上的硬碟裝置了。

但硬碟裝置能識別，並不代表硬碟上的檔案系統能識別，因為檔案系統是額外附加的一層軟體組織的檔案結構，所以要能夠對接一種檔案系統，必須要用到檔案系統驅動；對應的應用程式必須能識別和理解這樣的檔案系統才可以，這種程式就稱為檔案系統驅動；grub的1.5階段就是給gurb提供了檔案系統驅動的，從而就能夠訪問對應的第二階段和核心所在的分區了，這通常是一個基本磁碟分區；所以grub第二階段以及核心和ramdisk檔案通常都會放在一個基本磁碟分區上；因為grub驅動不了邏輯卷這種進階介面。

 stage2一般是掛載至/boot/grub/目錄下；grub也有自己的設定檔：/boot/grub/grub.conf且通常有個符號連結檔案：/etc/grub.conf；

 stage2的功用：

 （1）提供菜單或互動式介面；

 （2）能載入使用者選擇的核心或作業系統；

 （3）為菜單通過了保護機制。

 

4.載入 kernel

（1）通過grub載入到核心後，就在記憶體中解壓並展開就可完成後續操作即核心自身初始化；分為四步：

   第一：探測可識別的所有硬體裝置

   第二：載入硬體驅動程式；（有可能會藉助於randisk載入驅動）

   第三：以唯讀方式掛載根檔案系統

   第四：運行使用者空間的第一個應用程式：/sbin/init

 （其中有可能會藉助於randisk載入驅動，ramdisk：是基於記憶體的磁碟裝置；以唯讀方式掛載根檔案原因是防止核心中有bug，確保無問題後再改為讀寫方式；）

 

（2）如果核心把已知根檔案系統所在的磁碟裝置驅動程式編譯進核心（一般自己編譯核心含此驅動），此時就不需要這個ramdisk，所以發行商提供的安裝系統檔案不可能包含所有驅動在核心中。

這樣，要想載入根檔案系統，就要先載入根檔案系統所在的磁碟裝置驅動，而驅動就在根上因此，就不能依賴於根上的驅動程式來載入根檔案系統；要藉助於ramdisk臨時根檔案系統來載入根檔案系統所在的磁碟裝置驅動，從而載入根檔案系統；

   ramdisk臨時根檔案系統不是作業系統發行商直接在光碟片上內建的，而是在安裝作業系統後臨時產生的，它在安裝作業系統後，能掃描當前主機硬碟裝置的型號，並找到相關驅動做成一個臨時根；所以這個臨時根是為每個使用者安裝過程產生以後動態建立的。

   ramdisk臨時根是把記憶體某段空間當做磁碟使用，而Linux核心特性是使用緩衝和緩衝來加速對磁碟上的檔案訪問，這就是為什麼在centos5上使用ramdisk（initrd），在後來的centos6,7上使用的ramfs的原因，避免了在記憶體中的雙緩衝和雙緩衝。

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5.掛載根檔案系統

  一旦核心藉助於ramdisk提供的臨時根完成載入真正的根檔案系統所在的裝置，下一步就裝載根檔案系統，核心會自動把根檔案系統所在的裝置掛載至根上，所以說根是在核心中就是這個原因所在。

 

6.根切換

  在掛載根檔案系統時為了避免核心中有bug或操作過程中有bug導致根檔案系統被損壞，先唯讀掛載根檔案系統，載入完成後才讀寫掛載，完成整個掛載根檔案系統後，直接去找/sbin/init程式，即開始運行使用者空間的第一個程式。

使用者空間啟動流程

 

7./sbin/init程式

  init程式主要依賴於設定檔：/etc/inittab，大體分為：設定預設啟動層級 --> 設定系統初始化指令碼 --> 啟動對應層級的服務 --> 列印各終端登入介面（如果層級為3處理提供文本登入介面，如果層級為5還提供圖形登入介面）

 

8. 設定預設運行層級

  （1）運行層級：為了系統的運行或維護等目的而設定的機制；

    0-6：共7個層級；

     0：關機，shutdown

     1：單一使用者模式（single user），root使用者，無須認證，維護模式；

     2：多使用者模式（multi user），會啟動網路功能，但不會啟動NFS，維護模式；

     3：多使用者模式（multi user），完全功能模式，文本介面；

     4：預留層級：目前無特別使用目的，但習慣以同3層級功能使用；

     5：多使用者模式（multi user），完全功能模式，圖形介面；

     6：重啟，reboot

  （2）設定檔：/etc/inittab定義了很多功能，每一行定義一種操作（action）以及與之對應的process（僅適用於CentOS 5），一行就定義了init要執行的任務，甚至是一堆任務，每一行的文法格式為：                                                             id:runlevels:action:process

  id為一個任務的標識符；

  runlevels：在哪些運行層級下啟動此任務；例：3，2345，也可為空白表示所有層級；

  action：在什麼條件下啟動此任務；

    wait：等待切換至此任務所在的層級時執行一次（剛剛切換進來時）；

    respawn：一旦此任務終止時，就自動重啟；（如：登入終端執行logout登出後會再次啟動）

    initdefault：設定預設允許層級；此時process省略為空白；

    sysinit：設定系統初始化方式，此處一般為指定/etc/rc.d/rc.sysinit指令碼；（CentOS 5,6都用到此指令碼，CentOS 7是靠systemd完成的），在CentOS 6中僅保留此設定檔中設定啟動運行層級的功能。

    process：具體任務；通常為應用程式，或指令碼，或二進位的程式，取決於自訂。

 

9.系統初始化指令碼

系統初始化指令碼：/etc/rc.d/rc.sysinit

（1）設定主機名稱；

（2）設定歡迎資訊；

（3）啟用udev和selinux；

（4）掛載/etc/fstab檔案中定義的所有檔案系統；

（5）檢測根檔案系統，並以讀寫方式重新掛載根檔案系統；（重新掛載是指根檔案檢測完之後）

（6）設定系統時鐘；

（7）根據/etc/sysctl.conf檔案來設定核心參數；

（8）啟用lvm即軟raid裝置；

（9）啟用swap裝置；

（10）載入額外裝置的驅動程式；（核心載入驅動只載入根檔案系統的）

（11）清理操作；

注意：在init設定檔：/etc/inittab中，有一行內容是定義/etc/rc.d/rc.sysinit，此指令檔是負責完成系統初始化的指令檔。

 

10.關閉/啟動對應層級下的服務

  指令檔/etc/rc.d/rc作用為當層級切換時啟動或停止服務；此指令碼接受傳遞的參數給指令碼中$runlevel變數，然後，讀取/etc/rc$runlevel.d/K*和/etc/rc$runlevel.d/S*所有檔案，這些檔案就是為什麼開機啟動後，有些服務會自動啟動，有些服務沒有啟動的原因。

K*：要停止的服務，K##*，優先順序，數字越小，越優先關閉，依賴的服務先關閉，然後再關閉被依賴的。

S*：要啟動的服務，S##*，優先順序，數字越小，越是優先啟動，被依賴的服務先啟動，而依賴的服務後啟動。

/etc/rc.d/init.d目錄還有個連結目錄為/etc/init.d目錄，這兩目錄下檔案相同。

 

11.啟動終端（圖形終端）

 作業系統啟動完成

 

相關概念：

   Linux系統的組成部分：核心+根檔案系統

   核心：進程管理、記憶體管理、網路通訊協定棧、檔案系統、驅動程式。

   IPC(Inter-Process Communication處理序間通訊):就是指多個進程之間相互連信，交換資訊的方法。Linux IPC基本上都是從Unix平台上繼承而來的。主要包括最初的Unix IPC，System V IPC以及基於Socket的IPC。另外，Linux也支援POSIX IPC。

   運行中的系統內容可分為兩層：核心空間、使用者空間；

      核心空間：核心代碼（系統調用）

      使用者空間：應用程式（進程或線程）

   核心設計流派：

      單核心設計：把所有的功能整合於同一個程式；（Linux）

      微核心設計：每種功能都使用一個單獨的子系統實現；（Windows solarls）

   Linux核心特點：

     （1）支援模組化：.KO（kernel object）

     （2）支援模組運動時動態裝載或卸載

   組成部分：

      核心檔案：/boot/Vmliuz-VERSION-release

        ramdirk:

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

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

      

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