Linux系统启动管理系统启动流程

概述

linux启动时我们会看到许多启动信息，其过程可以分为5个阶段：

BIOS自检
读取MBR
通过Boot Loader引导系统加载
加载initramfe虚拟文件系统
加载内核
运行systemd

init程序的类型：

SysV: init, CentOS 5之前, 配置文件： /etc/inittab。
Upstart: init,CentOS 6, 配置文件： /etc/inittab, /etc/init/*.conf。
Systemd： systemd, CentOS 7,配置文件： /usr/lib/systemd/system、 /etc/systemd/system。

BIOS自检

BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统）是固化在主板上一个 ROM（只读存储器）芯片上的程序，主要保存计算机的基本输入/输出信息、系统设置信息、开机自检程和系统自启动程序，用来为计算机提供最底层和最直接的硬件设置于控制。

BIOS的上电自检POST(Power-on self test)，主要负责检测系统外围关键设备（如：CPU、内存、显卡、I/O、键盘鼠标等）是否正常。例如，最常见的是内存松动的情况，BIOS自检阶段会报错，系统就无法启动起来；

读取MBR（Main Boot Record，主引导记录）

当POST完成后，便会执行一段小程序用来枚举本地设备并对其初始化。这一步主要是根据我们在BIOS中设置的系统启动顺序来搜索用于启动系统的驱动器，如硬盘、光盘、U盘、软盘和网络等。我们以硬盘启动为例，系统找到BIOS所指定的硬盘后，读取硬盘驱动器的第一个扇区的MBR（将其复制到0×7c00地址所在的物理内存中。其实被复制到物理内存的内容就是Boot Loader，而具体到的电脑，那就是lilo或者grub）。实际上BIOS并不关心启动设备第一个扇区中是什么内容，它只是负责读取该扇区内容。

MBR 也就是主引导记录，位于硬盘的 0 磁道、0 柱面、1 扇区中，主要记录了启动引导程序和磁盘的分区表。我们通过图 1 来看看 MBR 的结构。

图 1 MBR的结构

MBR 共占用了一个扇区，也就是 512 Byte。其中 446 Byte 安装了启动引导程序，其后 64 Byte 描述分区表，最后的 2 Byte 是结束标记。我们已经知道，每块硬盘只能划分 4 个主分区，原因就是在 MBR 中描述分区表的空间只有 64 Byte。其中每个分区必须占用 16 Byte，那么 64 Byte 就只能划分 4 个主分区。每个分区的 16 字节的规划如表 2 所示。

存储字节	数据内容及含义
第 1 字节	引导标志
第 2 字节	本分区的起始磁道号
第 3 字节	本分区的起始扇区号
第 4 字节	本分区的起始柱面号
第 5 字节	分区类型，可以识别主分区和扩展分区
第 6 字节	本分区的结束磁道号
第 7 字节	本分区的结束扇区号
第 8 字节	本分区的结束柱面号
第 9~12 字节	本分区之前已经占用的扇区数
第 13~16 字节	本分区的总扇区数

MBR 中最主要的功能就是找到并加载启动引导程序。

通过Boot Loader引导系统加载

由于GRUB 的功能非常强大，MBR（446字节）空间只能安装 GRUB 的最小的主程序，而把GRUB 的相关配置文件放到了文件系统中。所以Linux 把 GRUB 的程序分成三个阶段来执行。

Stage 1：执行GRUB主程序

第一阶段是用来执行 GRUB 主程序的，这个主程序必须放在启动区中（也就是 MBR 或者引导扇区中）。但是 MBR 太小了，所以只能安装 GRUB 的最小的主程序，而不能安装 GRUB 的相关配置文件。这个主程序主要是用来启动 Stage 1.5 和 Stage 2 的。

Stage 1.5：识别不同的文件系统

Stage 2 比较大，只能放在文件系统中（分区），但是 Stage 1 此时还不能识别不同的文件系统，所以不能直接加载 Stage 2。这时需要先加载 Stage 1.5，由 Stage 1.5 来加载不同文件系统中的 Stage 2（将stage2载入内存并执行）。

还有一个问题，难道 Stage 1.5 不是放在文件系统中的吗？如果是，那么 Stage 1 同样不能找到 Stage 1.5。其实，Stage 1.5 还真没有放在文件系统中，而是在安装 GRUB 时，直接安装到紧跟 MBR 之后的 32KB 的空间中，这段硬盘空间是空白无用的，而且是没有文件系统的，所以 Stage 1 可以直接读取 Stage 1.5。读取了 Stage 1.5 就能识别不同的文件系统，才能加载 Stage 2。

Stage 2：加载GRUB的配置文件

Stage 2 阶段主要就是加载 GRUB 的配置文件 /boot/grub2/grub.cfg，然后根据配置文件中的定义，加载内核和虚拟文件系统。接下来内核就可以接管启动过程，继续自检与加载硬件模块了。

启动引导程序的作用

每种操作系统的启动引导程序都是不同的（BootLoader是严重地依赖于硬件而实现的），不同的操作系统只有使用自己的启动引导程序才能加载自己的内核。如果我的服务器上只安装了一个操作系统，那么这个操作系统的启动引导程序就会安装在 MBR 中。BIOS 调用 MBR 时读取出启动引导程序,就可以加载内核了。

如果服务器中安装了多个操作系统，很明显，一个 MBR 是不够用的。每块硬盘只能有一个 MBR 是不能更改的，所以不可能増加 MBR 的数量。系统只能在每个文件系统（可以看成分区）中单独划分出一个扇区，称作引导扇区（Boot Sector)。每个分区的引导扇区中也能安装启动引导程序，也就是说，在 MBR 和每个单独分区的引导扇区中都可以安装启动引导程序。这样多个操作系统才能安装在同一台服务器中（每个操作系统要安装在不同的分区中），而且每个操作系统都是可以启动的。

但是 BIOS 只能找到 MBR 中的启动引导程序，而找不到在分区的引导扇区中的启动引导程序。要想完成多系统启动，则通过安装到 MBR 中的启动引导程序（GRUB）调用在分区的引导扇区中的其他启动引导程序。不过需要注意的是，Windows 的启动引导程序不能调用 Linux 的启动引导程序，所以我们一般建议先安装 Windows，后安装 Linux，是为了将 Linux 的启动引导程序安装到 MBR 中，覆盖 Windows 的启动引导程序。

当然，这个安装顺序不是绝对的，就算最后安装了 Windows，我们也可以通过手工再安装 GRUB 的方法，来保证 MBR 中安装的还是 Linux 的启动引导程序。
下图为我们展示了启动引导程序的作用。

图 2 启动引导程序的作用

Linux /boot/grub2/目录

centos7使用/boot/grub2目录，而不再是grub目录； GRUB（启动引导程序）的配置文件主要放置在 /boot/grub2/ 目录中。不过 GRUB 的配置文件有两个：/boot/grub2/grub.conf 和 /boot/grub/menu.lst，这两个配置文件是软链接，所以修改哪一个都可以。

加载内核

当系统引导完成后，首先会去加载装载程序的配置文件：/etc/grub.d/ /etc/default/grub /boot/grub2/grub.cfg，根据grub配置文件设定的内核镜像所在路径，系统加载内核镜像到内存中，并进行解压缩操作。当解压缩内核完成后，系统将解压后的内核放置在内存之中，并将控制权转交给内核，然后调用start_kernel()函数来启动一系列的初始化函数并初始化各种设备，其中包括CPU、I/O、存储设备等，完成Linux核心环境的建立。

当 GRUB 加载了内核之后，内核首先会再进行二次系统的自检，而不一定使用 BIOS 检测的硬件信息。这时内核终于开始替代 BIOS 接管 Linux 的启动过程了。

内核完成再次系统自检之后，开始采用动态的方式加载每个硬件的模块，这个动态模块大家可以想象成硬件的驱动（默认 Linux 硬件的驱动是不需要手工安装的，如果是重要的功能，则会直接编译到内核当中；如果是非重要的功能，比如硬件驱动会编译为模块，则在需要时由内核调用）。

/boot目录

[root@localhost ~]# ls /boot/

#内核的配置文件，内核编译时选择的功能与模块

config-3.10.-.el7.x86_64

grub

#启动引导程GTUB的数据目录

grub2

#虚拟文件系统

initramfs--rescue-f6f8ed7a7aca4093bcb3a2869a2b3abf.img

initramfs-3.10.-.el7.x86_64.img

initramfs-3.10.-.el7.x86_64kdump.img

initrd-plymouth.img

#boot分区的备份目录

lost+found

#模块符号信息

symvers-3.10.-.el7.x86_64.gz

#内核功能和内存地址的对应列表

System.map-3.10.-.el7.x86_64

#用于启动的Linux内核。这个文件是一个压缩的内核镜像

vmlinuz--rescue-f6f8ed7a7aca4093bcb3a2869a2b3abf

vmlinuz-3.10.-.el7.x86_64

在Linux中，会把不重要的功能编译成内核模块，需要时再调用，从而保证了内核不会过大。在多数 Linux 中，都会把硬件的驱动程序编译为模块，这些模块保存在 /lib/modules/ 目录中。常见的 USB、SATA 和 SCSI 等硬盘设备的驱动，还有一些特殊的文件系统（如 LVM、RAID 等）的驱动，都是以模块的方式来保存的。

如果 Linux 安装在 IDE 硬盘之上，并且采用的是默认的 ext3/4 文件系统，那么内核启动后加载根分区和模块的加载都没有什么问题，系统会顺利启动。但是如果 Linux 安装在 SCSI 硬盘之上，或者采用的是 LVM 文件系统，那么内核在加载根目录之前是需要加载 SCSI 硬盘或 LVM 文件系统的驱动的。

SCSI 硬盘和 LVM 文件系统的驱动都放在硬盘的 /lib/modules/ 目录中，既然内核没有办法识别 SCSI 硬盘或 LVM 文件系统，那怎么可能读取 /lib/modules/ 目录中的驱动呢？Linux 给出的解决办法是使用 initramfs 这个虚拟文件系统来处理这个问题。

加载initramfe虚拟文件系统

通过挂载临时根目录initramfs加载核心模块(驱动程序...)，然后卸载临时根目录，挂载真正的根目录。

initramfs与initrd类似，也是初始化好了且存在于ram中的，可以压缩也可以不压缩。可以通过启动引导程序加载到内存中，然后解压缩并在内存中生成一个根目录，并且这个文件系统能够提供一个可执行程序，通过该程序来加载启动过程中所需的内核模块，比如 USB、SATA. SCSI 硬盘的驱动和 LVM、RAID 文件系统的驱动。

也就是说，通过 initramfs 虚拟文件系统在内存中模拟出一个根目录，然后在这个模拟根目录中加载 SCSI 等硬件的驱动，就可以加载真正的根目录了，之后才能调用 Linux 的第一个进程。

Initramfs 虚拟文件系统主要有以下优点：

initramfs 随着其中数据的増减自动増减容量。
在 initramfs 和页面缓存之间没有重复数据。
initramfs 重复利用了 Linux caching 的代码，因此几乎没有増加内核尺寸，而 caching 的代码已经经过良好测试，所以 initramfs 的代码质量也有保证。
不需要额外的文件系统驱动。

其实大家只需要知道 initramfs 是为了在内核中建立一个模拟根目录，这个模拟根目录是为了可以调用 USB、SATA、SCSI、LVM、RAID 等硬盘接口或文件系统的驱动模块，加载了驱动模块后才可以加载真正的系统根目录。我们可以通过示意图 1 来表示这个过程。

图 1 内核启动流程

initramfs 是一个仿真根目录，这个根目录中的内容如下：

[root@localhost ~]# mkdir /tmp/initramfs

#建立测试目录

[root@localhost ~]# cp/boot/

initramfs-2.6.-.el6.i686.img/tmp/initramfs/

#复制initramfs文件

[root@localhost ~]# cd /tmp/initramfs/

[root@localhost initramfs]# file

initramfs-2.6.-.el6.i686.img

initramfe-2.6.-.el6.i686.img:gzip compressed

data,from Unix,last modified:

Wed Apr  :: , max compression

#查看文件类型，发现这个文件是一个使用gzip命令打包的压缩包

[root@localhost initramfs]# mv initramfs-2.6.-.el6.i686.imginitramfs-2.6.-.el6.i686.img.gz

#修改文件的扩展名为.gz

[root@localhost initramfs]# gunzip

initramfs-2.6.-.el6.i686.img.gz

#解压缩

[root@localhost initramfs]# ls

initramfs-2.6.-.el6.i686.img

[root@localhost initramfs]# file

initramfs-2.6.-.el6.i686.img

initramfe-2.6.-.el6.i686.img: ASCII cpio archive (SVR4withnoCRC)

#查看文件类型，使用cpio命令的压缩文件

[root@localhost initramfs]# cpio -ivcdu <initramfs-2.6.-.el6.i686.img

#解压缩

[root@localhost initramfs]#ll

总用量34512

drwxr-xr-x.  root root  4月 : bin

drwxr-xr-x.  root root   月  : cmdline

drwxr-xr-x.  root root  4月  : dev

-rw-r--r--.  root root   月  : dracut--.el6

drwxr-xr-x.  root root   月  : emergency

drwxr-xr-x.  root root  4月  : etc

-rwxr-xr-x.  root root  4月  : init

drwxr-xr-x.  root root   月  : initqueue

drwxr-xr-x.  root root   月  : initqueue-finished

drwxr-xr-x.  root root   月  : initqueue-settled

drwxr-xr-x.  root root   月  :

initqueue-timeout

-rw-r--r--.  root root   月  : initramfs-2.6.-.el6.i686.img

drwxr-xr-x.  root root  4月 : lib

…省略部分输出…

这就是initramfs虚拟文件系统中的内容，是一个伪根目录。

运行systemd

Systemd概述：systemd即为system daemon [ˈdi:mən] 守护进程，是linux下的一种init软件,开发目标是提供更优秀的框架以表示系统服务间的依赖关系，并依此实现系统初始化时服务的并行启动，同时达到降低Shell的系统开销的效果，最终代替现在常用的System V与BSD风格init程序。

在内核加载完毕，并完成硬件检测与驱动程序加载后，主机硬件已经准备完毕，内核会主动呼叫第一个进程，为用户提供合适的工作环境。RHEL/CentOS 7系统中已经替换掉了熟悉的初始化进程服务System V init正式采用全新的systemd初始化进程服务。systemd初始化进程服务采用了并发启动机制，开机速度得到了不小的提升。

Systemd配置文件：

/usr/lib/systemd/system/ #这个目录存储每个服务的启动脚本，类似于之前的/etc/init.d/
/run/systemd/system/ #系统执行过程中所产生的服务脚本，比上面目录优先运行
/etc/systemd/system/ #管理员建立的执行脚本，类似于/etc/rc.d/rcN.d/Sxx类的功能，比上面目录优先运行

当第一个进程创建完毕后，使用default.target进入开启流程(假设是multi-user.target)
执行sysinit.target初始化系统(检测硬件，载入所需的核心模组)、basic.target准备系统(载入硬件驱动和防火墙相关任务)
执行multi-user.target下面的服务(如果启动了/etc/rc.d/rc.local，则需要启动里面的命令)
执行multi-user.target下的/etc/rc.d/rc.local
启动tty
如果运行级别是graphical.target则会启动图形桌面；

centos7"运行级别"概念

centos7表面是有“运行级别”这个概念，实际上是为了兼容以前的系统，每个所谓的“运行级别”都有对应的软连接指向，默认的启动级别时/etc/systemd/system/default.target,根据它的指向可以找到系统要进入哪个模式

cenos6运行级别	cenos7运行级别	含义
0	runlevel0.target, poweroff.target	关机
1	runlevel1.target, rescue.target	单用户模式，可以想象为 Windows 的安全模式，主要用于系统修复
2	runlevel2.target, multi-user.target	不完全的命令行模式，不含 NFS 服务
3	runlevel3.target, multi-user.target	完全的命令行模式，就是标准字符界面
4	runlevel4.target, multi-user.target	系统保留
5	runlevel5.target, graphical.target	图形模式
6	runlevel6.target, reboot.target	重新启动

查看系统默认运行级别

[root@localhost ~]# systemctl get-default

graphical.target

查看系统有哪些target

[root@localhost ~]# ls /lib/systemd/system/*.target

/lib/systemd/system/basic.target

/lib/systemd/system/default.target

/lib/systemd/system/runlevel0.target

/lib/systemd/system/runlevel1.target

/lib/systemd/system/runlevel2.target

/lib/systemd/system/runlevel3.target

/lib/systemd/system/runlevel4.target

/lib/systemd/system/runlevel5.target

/lib/systemd/system/runlevel6.target

修改默认启动运行级别（永久生效）

[root@student ~]# systemctl set-default TARGET.target