Linux 基础之启动流程

发表于 | 分类于 | | 本文总阅读量 次

固件 (firmware) 是指设备最底层的，让设备得以运行的程序代码。简单理解就是：固定在硬件上的软件。计算机中的许多设备都拥有固件(如硬盘、鼠标、光驱、U 盘等)，在计算机启动过程中，最先读取的就是位于主板上的固件，这个固件当前有两种类型：传统的 BIOS 和新的通用性更强的 UEFI。

在上一篇中，我们提到另一种磁盘分区格式 GTP 也是 UEFI 标准的一部分。于是，当前计算机启动中，出现了两种不同的方式：BIOS/MBR 和 UEFI/GTP。

在 linux 操作系统的世界中，同样在经历着变革，系统初始化软件 sysvinit 正逐渐被 systemd 取代。
本文将主要讲述传统的 BIOS/MBR–>sysvinit 启动方式，同时，作为补充，也将简述 UEFI/GTP–>systemd 的启动方式。

BIOS/MBR–>sysvinit

1、BIOS 阶段

系统加电后会立即读取 BIOS 中内容并执行，BIOS 中程序的执行包括两个步骤：

  1. 加电自检 POST(power-on self test)，主要负责检测系统外围设备 (如 CPU、内存、显卡、键盘鼠标等) 是否正常。如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣声，启动终止。如果没有问题，屏幕就会显示出 CPU、内存、硬盘等信息。
  2. 自检完成后，BIOS 会执行一段程序来枚举本地设备 (如光盘、U 盘、硬盘、网络等，可以在 BIOS 中设置枚举顺序) 寻找下一阶段的启动程序所在位置。BIOS 会将控制权交给启动顺序 (Boot Sequence) 中排在第一位的设备，此时，计算机读取该设备中的最前面的 512 个字节，如果这 512 个字节的最后两个字节是 0x55 和 0xAA(Magic Number)，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明该设备不能用于启动，控制权于是转交给启动顺序中的下一个设备。如上一篇所述，硬盘中的最前面的 512 字节即为主引导记录 MBR。

2、MBR 阶段

前一篇中我们描述过 MBR 的结构，其中包括 446 字节的 Bootloader，64 字节的 DPT 和 2 字节的 Magic Number。
Bootloader(引导加载程序) 中较常用的一种是 grub，grub 引导分为两个阶段 (有些 grub 还定义了 1.5 阶段)：

  1. BIOS 将 stage1 载入内存中的指定位置 (0x7C00) 并跳转执行，stage1 的内容即为 MBR 中起始的 446 字节；此阶段执行作用主要是将硬盘 0 磁头 0 磁道 2 扇区的内容载入到内存 0x8000 处并跳转执行。
    • 由于 stage2 的代码 (较大) 存放在文件系统下的 /boot 分区中(或者 /boot 没有单独分区的 /etc/)，因此识别 stage2 文件需要文件系统环境(此时还只能直接读取硬盘指定位置的内容，并不能识别文件系统)。stage1.5 的作用就是为 stage2 提供文件系统环境，使系统能够找到位于文件系统中的 stage2 文件。
  2. stage2 被载入内存并执行，它首先会解析 grub 的配置文件 menu.lst 即 /boot/grub/grub.conf，该文件中指定了系统内核文件所处的位置，如果没有找到该文件，就会执行一个 shell，等待用户手动指定内核文件的位置。此阶段的最终状态就是执行 boot 命令，将内核和 initrd 镜像载入内存，进而将控制权交给内核。

grub.conf 内容 (版本：GNU GRUB 0.97)：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
# grub.conf generated by anaconda
#
# Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file
# NOTICE:  You have a /boot partition.  This means that
#          all kernel and initrd paths are relative to /boot/, eg.
#          root (hd0,0)
#          kernel /vmlinuz-version ro root=/dev/sda3
#          initrd /initrd-version.img
#boot=/dev/sda
default=0
timeout=5
splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz
hiddenmenu
title CentOS (2.6.18-407.el5)
        root (hd0,0)
        kernel /vmlinuz-2.6.18-407.el5 ro root=LABEL=/ rhgb quiet
        initrd /initrd-2.6.18-407.el5.img
title CentOS (2.6.18-398.el5)
        root (hd0,0)
        kernel /vmlinuz-2.6.18-398.el5 ro root=LABEL=/ rhgb quiet
        initrd /initrd-2.6.18-398.el5.img

文件中 # 开头的行是注释行，最重要的部分是两个 title 下面指定的内核位置及具体文件 (kernel 和 initrd 项)

3、内核阶段

grub 的 stage2 将 initrd 文件加载到内存中，内核于是开始执行 initrd 中的 init 文件，此文件是一个脚本，主要作用是加载各种存储介质相关的设备驱动程序。当所需的驱动程序加载完成后，会创建一个根设备，然后将根文件系统 (rootfs) 以只读的方式挂载。这一步结束后，释放未使用的内存，转换到真正的根文件系统中运行程序 /sbin/init，启动系统 PID 为 1 的进程。此后系统的控制权就交给 /sbin/init 进程了。

4、init 阶段

当 init 进程接管了系统的控制权之后，它首先会读取 /etc/inittab 文件，此文件描述了在特定的运行级别 (runlevel) 下，init 进程该如何初始化系统。

linux 中定义了 7 种运行级别：

  • 0 表示关机
  • 1 表示单用户模式
  • 2 表示无网络的多用户模式
  • 3 表示多用户模式
  • 4 未使用
  • 5 表示图形界面模式
  • 6 表示重启

inittab 文件中指定了系统的默认运行级别，如 id:3:initdefault: 表示默认运行级别为 3(多用户模式)。

init 进程根据 inittab 文件，运行一系列指定的初始化脚本：

  1. /etc/rc.d/rc.sysinit 系统初始化脚本，它的作用包括设置主机名和默认网关、决定是否启用 SELinux、加载用户自定义模块、根据文件 /etc/sysctl.conf 设置内核参数、设置 raid 及 LVM 等硬盘功能、重新以读写方式挂载根文件系统等等
  2. 执行 /etc/rc.d/rc 文件，该文件确认由 inittab 指定的运行级别 N，并启动相应级别下的服务 (通过执行 /etc/rc.d/rcN.d 中的文件)，例如运行级别为 3 时，则先执行 /etc/rc.d/rc3.d 下以 K 开头的文件，然后执行以 S 开头的文件。这些文件都是指向 /etc/init.d 下的符号链接。以 K 开头的文件表示此运行级别下需要关闭的服务，以 S 开头的文件表示此运行级别下需要开启的服务。
  3. 在运行级别 2、3、4、5 中最后一个执行的文件均指向文件 /etc/rc.local, 用户可以在此文件中自定义启动内容。
  4. 之后根据 inittab 中设置，运行 6 个终端，以便用户登录系统，如果是运行级别 5，则还会执行 /etc/X11/prefdm -nodaemon 启动相应的桌面环境。
  5. 然后执行 /bin/login 程序用于接收和验证来自 mingetty 的用户名和密码。

至此整个系统即启动完毕了

UEFI/GTP–>systemd

UEFI 的出现是为了代替 BIOS，同样，GTP 和 systemd 也是为了弥补 MBR 和 sysvinit 的不足。和 BIOS 只负责 POST 和找到 MBR 不同，UEFI 将贯穿系统加电到关机的整个过程。粗略划分，UEFI 系统启动分为 4 个阶段：

1、UEFI 初始化阶段

  1. SEC(安全验证)：接收并处理系统启动和重启信号，初始化临时存储区域，传递系统参数给下一阶段 (即 PEI)。
  2. PEI(EFI 前期初始化)：为 DXE 准备执行环境，将需要传递到 DXE 的信息组成 HOB(Handoff Block) 列表，最终将控制权转交到 DXE 手中。
  3. DXE(驱动执行环境)：根据 HOB 列表初始化系统服务，然后遍历固件中的所有 Driver，当驱动的依赖资源满足时，调度 Dirver 到执行队列执行，直到所有满足条件的 Dirver 都被加载。

2、操作系统加载器作为 UEFI 应用程序运行阶段

  1. BDS(启动设备选择)：初始化控制台设备，加载必要的设备驱动，根据系统设置加载和执行启动项，用户选中某个启动项（或系统进入默认的启动项）后，OS Loader 启动，系统进入 TSL 阶段。
    • UEFI 中程序能够识别存储介质上的分区信息和文件系统 (如：fat32)，此时会将 /EFI/boot/grub2.efi(位于 GTP 格式硬盘的一个分区 ESP，安装时自动生成) 作为 UEFI 应用程序运行。
  2. TSL(临时系统加载)：操作系统加载器 (OS Loader 也位于 ESP 分区) 执行的第一阶段，在这一阶段 OS Loader 作为一个 UEFI 应用程序运行，系统资源仍然由 UEFI 内核控制。当启动服务的 ExitBootServices()服务被调用后，系统进入 RT(Run Time)阶段。

3、操作系统运行阶段

RT(运行时)：系统的控制权从 UEFI 内核转交到 OS Loader 手中，UEFI 占用的各种资源被回收到 OS Loader，仅有 UEFI 运行时服务保留给 OS Loader 和 OS 使用。随着 OS Loader 的执行，OS 最终取得对系统的控制权。

在 init 作为系统初始化程序时，服务是通过 /etc/rc.d/init.d 中的脚本来管理并且是顺序执行的，当使用 systemd 作为系统初始化程序后，这些脚本被服务单元替换，并尽可能的并行启动进程。

在 systemd 中，一个单元配置文件可以描述如下内容之一：

  • 系统服务 (.service)
  • 挂载点 (.mount)
  • 套接字 (.sockets)
  • 系统设备 (.device)
  • 交换分区 (.swap)
  • 文件路径 (.path)
  • 启动目标 (.target)
  • 由 systemd 管理的计时器 (.timer)
  • ….

systemd 为保持向下兼容性还保留了一些 init 命令和概念，但所对应的文件都是指向 systemd 对应命令或文件的符号链接：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
[root@centos7 temp]# ls -l /sbin/init
lrwxrwxrwx. 1 root root 22 1 月  15 2016 /sbin/init -> ../lib/systemd/systemd
[root@centos7 temp]# ls -l /usr/lib/systemd/system/runlevel*.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 15 1 月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel0.target -> poweroff.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 13 1 月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel1.target -> rescue.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 1 月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel2.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 1 月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel3.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 17 1 月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel4.target -> multi-user.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 16 1 月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel5.target -> graphical.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 13 1 月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel6.target -> reboot.target

systemd 启动后执行的第一个目标是 default.target，但实际上 default.target 是指向 graphical.target 的符号链接。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
[root@centos7 temp]# ls -l /usr/lib/systemd/system/default.target
lrwxrwxrwx. 1 root root 16 1 月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/default.target -> graphical.target
[root@centos7 temp]# cat /usr/lib/systemd/system/graphical.target
#  This file is part of systemd.
#
#  systemd is free software; you can redistribute it and/or modify it
#  under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by
#  the Free Software Foundation; either version 2.1 of the License, or
#  (at your option) any later version.
[Unit]
Description=Graphical Interface
Documentation=man:systemd.special(7)
Requires=multi-user.target
Wants=display-manager.service
Conflicts=rescue.service rescue.target
After=multi-user.target rescue.service rescue.target display-manager.service
AllowIsolate=yes

其中 Requires 行指明了本单元的依赖关系 (其他各项意义可以通过命令 man systemd.unit 查看)，顺着此文件，可以找到需要执行的单元：multi-user.target、basic.target、sysinit.target、local-fs.target swap.target、local-fs-pre.target。

4、关机阶段

AL(After-life)：当系统硬件或操作系统出现严重错误不能继续正常运行时，固件会尝试修复错误，这时系统进入 AL 期。UEFI 标准并没有定义此阶段的行为和规范。系统供应商可以自行定义。

相关命令

init

1、init

init 除了在系统初始化时起的重要作用外，还可以用来执行关机、重启、切换运行级别的作用：

1
2
3
4
5
6
#关机
init 0
#重启
init 6
#切换到单用户模式
init 1

2、runlevel 显示运行级别

1
2
3
[root@centos7 temp]# runlevel
N 3
[root@centos7 temp]#

输出中 N 表示当前运行级别，如果系统启动后切换过运行级别，则输出类似于 3 5 表示之前运行级别为 3，现在的运行级别为 5。

3、halt reboot poweroff shutdown

这几个命令的作用就是关机或重启系统，通常只使用 shutdown 就可以了：

1
2
3
4
5
6
7
8
#立即关机
shutdown -h now
#在 11:50 分执行关机
shutdown -h 11:50
#如果要取消指定时间的关机，则在另一个终端中执行：
shutdown -c
#过 30 分钟之后重启系统，并且重启时不进行磁盘检测
shutdown -fr +30

4、chkconfig 更新或查询服务的运行级别信息

1
2
3
4
5
6
#列出服务 (还会列出 xinetd 管理的服务)
chkconfig --list
#增加一个服务
chkconfig --add httpd
#使服务在运行级别 2、3、5 时自启动
chkconfig --level 235 httpd on

5、service 运行服务脚本 (服务脚本位于 /etc/init.d 内，service 本身也是脚本，位于 /sbin 内)

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
#列出所有服务状态
service --status-all
#列出单个服务状态
service nginx status
#启动服务
service nginx start
#停止服务
service nginx stop
#重启服务
service nginx restart
#重新加载配置文件
service nginx reload

systemd

systemd 并不是一个命令，而是一组命令，涉及到系统管理的方方面面。

1、systemctl 控制 systemd 系统和管理服务

1
systemctl [OPTIONS...] COMMAND [NAME...]

如切换运行级别或开关机：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
#重启 (将执行 reboot.target)
systemctl reboot
#暂停 (将执行 suspend.target)
systemctl suspend
#休眠 (将执行 hibernate.target)
systemctl hibernate
#切换至救援模式 (单用户，将执行 rescue.target)
systemctl rescue
#列出运行级别
systemctl get-default
#切换到运行级别 5，即图形模式
systemctl isolate graphical.target

系统服务单元相关：

1
2
3
4
5
6
7
8
#列出正在运行的 Unit
systemctl list-units
#列出所有的 Unit
systemctl list-units --all
#列出所有加载失败的 Unit
systemctl list-units --failed
#列出 Unit 时指定类型
systemctl list-units --type=socket

系统和服务管理：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
#系统状态
systemctl status
#服务状态 (.service 可以省略)
systemctl status nginx.service
#启动服务
systemctl start nginx
#停止服务
systemctl stop nginx
#重启服务
systemctl restart nginx
#重新加载配置文件
systemctl reload nginx
#设置服务开机启动
systemctl enable nginx
#列出所有安装的服务
systemctl list-unit-files
#指定类型
systemctl list-unit-files --type=target

还有许多其他选项，这里就不一一列举了。

2、systemd-analyze 查看启动用时

1
2
$ systemd-analyze
Startup finished in 730ms (kernel) + 1.904s (initrd) + 9.909s (userspace) = 12.544s

输出显示了系统启动过程中各部分耗时

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
#各服务初始化用时
$ systemd-analyze blame
          5.424s NetworkManager-wait-online.service
          1.830s dev-mapper-centos\x2droot.device
          1.055s firewalld.service
           980ms kdump.service
           549ms network.service
           ....
#输出各服务用时细节并写入文件 (该文件可以用浏览器或图片查看器打开)
$ systemd-analyze plot > file.svg
#序列化输出各服务详细完整的状态信息 (输出内容很多，略)
$ systemd-analyze dump

3、systemd-cgls 递归显示控制组 (Cgroups) 信息

linux 内核从版本 2.6.24 开始，引入了一个叫做控制组 (control groups) 的特性，是用于限制、记录、隔离进程组（process groups）所使用的物理资源（如：cpu,memory,IO 等等）的机制。关于 Cgroups 的内容本文不再展开。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
$ systemd-cgls
├─1 /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --deserialize 21
├─user.slice
│ └─user-0.slice
│   ├─session-182.scope
│   │ ├─5165 sshd: root@pts/1    
│   │ ├─5167 -bash
│   │ ├─5409 systemd-cgls
....
....

4、systemd-cgtop 显示各控制组的使用量 (CPU, 内存, IO)

显示效果类似命令 top

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
$ systemd-cgtop
Path                                                Tasks   %CPU   Memory  Input/s Output/s
/                                                   161    0.2   400.5M        -        -
/system.slice/NetworkManager.service                  1      -        -        -        -
/system.slice/auditd.service                          1      -        -        -        -
/system.slice/crond.service                           1      -        -        -        -
/system.slice/dbus.service                            1      -        -        -        -
/system.slice/firewalld.service                       1      -        -        -        -
....

5、systemd-loginctl 控制 systemd 登录管理

此命令是命令 loginctl 的符号链接

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
#列出当前会话
$ systemd-loginctl list-sessions
   SESSION        UID USER             SEAT            
       182          0 root                             
       154          0 root                             
2 sessions listed.
#列出当前登录用户
$ loginctl list-users
       UID USER            
         0 root            
1 users listed.
#列出显示指定用户的信息
$ loginctl show-user root
UID=0
GID=0
Name=root
Timestamp = 三 2016-12-21 08:38:54 CST
TimestampMonotonic=77015538361
RuntimePath=/run/user/0
Slice=user-0.slice
Display=154
State=active
Sessions=182 154
IdleHint=no
IdleSinceHint=0
IdleSinceHintMonotonic=0
Linger=no
$

6、timedatectl 系统时间和日期控制

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
$ timedatectl
      Local time: 三 2016-12-21 13:47:31 CST
  Universal time: 三 2016-12-21 05:47:31 UTC
        RTC time: 三 2016-12-21 05:47:31
       Time zone: Asia/Shanghai (CST, +0800)
     NTP enabled: n/a
NTP synchronized: no
 RTC in local TZ: no
      DST active: n/a
#设置时间
$ timedatectl set-time "2012-10-30 18:17:16"
#列出时区
$ timedatectl list-timezones
Africa/Abidjan
Africa/Accra
Africa/Addis_Ababa
Africa/Algiers
Africa/Asmara
....
#设置时区
$ timedatectl set-timezone America/New_York

7、hostnamectl 系统主机名控制

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
#状态
$ hostnamectl status
   Static hostname: centos7
         Icon name: computer-vm
           Chassis: vm
        Machine ID: 956ab824a02d489d85b079cb442d5442
           Boot ID: 9016d7627d8148ecb7fb77afaa89aeab
    Virtualization: vmware
  Operating System: CentOS Linux 7 (Core)
       CPE OS Name: cpe:/o:centos:centos:7
            Kernel: Linux 3.10.0-327.el7.x86_64
      Architecture: x86-64
#设置主机名 (内核参数 /proc/sys/kernel/hostname 和文件 /etc/hostname 中都立即更新)
$ hostnamectl set-hostname MYHOST
#重新登录后主机名即变为 myhost(静态主机名)
$ hostnamectl
   Static hostname: myhost
   Pretty hostname: MYHOST
         Icon name: computer-vm
           Chassis: vm
        Machine ID: 956ab824a02d489d85b079cb442d5442
           Boot ID: 9016d7627d8148ecb7fb77afaa89aeab
    Virtualization: vmware
  Operating System: CentOS Linux 7 (Core)
       CPE OS Name: cpe:/o:centos:centos:7
            Kernel: Linux 3.10.0-327.el7.x86_64
      Architecture: x86-64

以上 systemd 相关所有命令 (除 systemd-cgls 和 systemd-cgtop 外)，都可以使用选项 -H 指定远程基于 systemd 的主机 (使用 ssh 协议)：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
$ hostnamectl -H 10.0.1.252
   Static hostname: idc-v-71252
         Icon name: computer-vm
           Chassis: vm
        Machine ID: 956ab824a02d489d85b079cb442d5442
           Boot ID: 9016d7627d8148ecb7fb77afaa89aeab
    Virtualization: vmware
  Operating System: CentOS Linux 7 (Core)
       CPE OS Name: cpe:/o:centos:centos:7
            Kernel: Linux 4.4.4-1.el7.elrepo.x86_64
      Architecture: x86-64

systemd 功能强大，使用方便，但也比较复杂，体系庞大。本文只介绍一点相关命令，更多内容就不在此展开了。

本文简述了传统的BIOS和新的UEFI启动流程，介绍了init和systemd部分相关命令。

热评文章