13.1 CentOS系统启动流程介绍

CentOS系统启动流程介绍

13.1 CentOS系统启动流程介绍

本章我们将学习 Linux 启动流程和内核模块管理相关的内容。通过本章我们将学习如下内容:

Linux 系统的组成及特点
CentOS 系统的启动流程
开机启动成 grub 的配置和使用
内核功能与内核模块的加载与使用

在学习本章内容之前，需要对之前学习的操作系统知识做一个简单梳理总结，目的是了解 Linux 系统在启动时面临了哪些问题，怎么去解决这些问题。这样我们才能知道为什么启动流程是”这样”。

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--------------|  库调用接口   |---------------|   系统调用接口 |-------------------------------|    操   作  系   统           |-------------------------------|    底   层  硬   件           |-------------------------------

在一个已经开机的计算机上，操作系统位于底层硬件之上，通过加载硬件的驱动程序从而能够管理各种硬件设备。操作系统通过系统调用，将管理底层硬件的接口暴露给各应用程序。应用程序在需要时发起系统调用即可完成对底层硬件的驱动。系统调用接口比较简陋，不便于程序员进行编程，因此在系统调用基础上有各种库，方便程序员进行编程。

操作系统=内核+根文件系统，Linux 中一切皆文件，Linux 的所有设备都表现为根文件系统上的某个文件。因此内核必需首先要加载底层磁盘设备的驱动程序，然后加载该磁盘设备上特定的文件系统，最后挂载根文件系统。

但是在系统启动之前，操作系统和各种驱动程序都是存放在硬盘上的。这样就会出现以下问题:

为加载内核需要读取磁盘中的内核源码，而读取磁盘文件需要先挂载根文件系统，此时操作系统还没有更不可能挂在根文件系统了
挂载根文件系统时，首先需要加载磁盘和文件系统的驱动程序。而文件系统还没有挂载，根本没法读取到位于根文件系统中的驱动程序

因此开机启动，必需要解决上述两个问题。

本节，我们开始学习 Centos 系统的启动流程，本章开篇我们了解到，开机过程中存在两个问题:

为加载内核需要读取磁盘中的内核源码，而读取磁盘文件需要先挂载根文件系统，此时操作系统还没有更不可能挂在根文件系统了
挂载根文件系统时，首先需要加载磁盘和文件系统的驱动程序。而文件系统还没有挂载，根本没法读取到位于根文件系统中的驱动程序

本节核心就是讲解如何解决上述两个问题，并在此基础上介绍 Linux 系统的启动。本节将包括以下内容:

Linux 系统特性，包括Linux 系统的功能及设计思路
Linux 开机启动流程，包括:
- Linux 系统组成，Linux 为开机启动准备的额外文件
- Linux 系统详细启动过程

1. Linux 系统特性

Linux 主要由内核+根文件系统组成，一个运行中的Linux，可以看作是运行在内核之上，由内核负责完成底层硬件管理，从而将硬件接口抽象为系统接口以后，让根文件系统工作为文件系统的一个底层虚拟机。运行中的OS可以分为内核空间和用户空间两个部分，应用程序运行在用户空间，通常表现为一个进程或线程；而内核空间主要运行内核代码，执行特权操作，通过系统调用向用户空间输出接口。用户空间通过发起系统调用执行特权操作。

Linux 需要实现的功能包括:

进程管理，进程创建，调度，销毁
内存管理，将内存抽象为虚拟的线性地址格式，为每个进程提供一份，就好像每个进程单独运行在操作系统之上一样
IPC 机制:
- 消息队列
- semerphor 信号量
- share memory 共享内存
网络协议栈
文件系统
驱动程序《Linux 设备驱动》
安全功能

内核设计有两种流派

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

Linux 虽然为单内核设计但是充分吸收了微内核的特点，支持模块化(.ko (kernel object))，支持模块运行时动态装载或卸载。

1. Linux 系统启动流程

1.1 Linux 系统的组成

首先我们来解决开机启动的第二个问题。
内核加载根文件系统需要加载驱动程序，而驱动程序就在根之上。因此我们不能依赖根文件系统上的驱动程序，内核必须自带驱动程序。

一种方法是将设备的驱动程序编译进内核，对于个人用户自编译的系统没有有问题，因为只需要将其特定的驱动程序编译进内核即可，然后对于操作系统发行商而然，它面对的是各种用户的不同驱动设备，如果都将这些驱动程序编译进内核，内核将庞大无比，而每个用户又只会用到其中一个。

另一种方法是借助于中间临时根文件系统，中间临时根文件系统包含了加载根文件系统所在设备的驱动程序，而中间根文件系统放置在一个基于内存的磁盘设备中，内核无须加载其他驱动程序即可访问该设备。内核启动后，先访问基本设备挂载中间的临时根文件系统，并从中装载设备驱动程序，在真正的根文件系统准备完成之后，从临时根切换到真正的根。

用于系统初始化的基于内存的磁盘设备通常称为 ramdisk，内核在启动过程中需要将 ranmdisk 装载进内存，并将其识别为一个根文件系统。ramdisk 并不是发行商预先生成，而是在系统安装过程中针对当前设备临时生成了，因此其仅需包含当前设备的驱动程序即可。

因此从编译完成后的视角，Linux 系统由如下部分组成:

核心文件：/boot/vmlinuz-VERSION-release
ramdisk：
- CentOS 5：/boot/initrd-VERSION-release.img # 基于 ram 的磁盘
- CentOS 6,7：/boot/initramfs-VERSION-release.img # 基于 ram 的文件系统
模块文件：
- /lib/modules/VERSION-release
- 如果内核提供了多个版本，将会有多个内核目录

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> uname -r # 内核版本4.9.86-30.el7.x86_64> ls /boot/|grep vmvmlinuz-4.9.86-30.el7.x86_64> ls /lib/modules/$(uname -r)/kernelarch  crypto  drivers  fs  lib  mm  net  sound  virt> tree  -L 2 /lib/modules/$(uname -r)/lib/modules/4.9.86-30.el7.x86_64├── build -> ../../../usr/src/kernels/4.9.86-30.el7.x86_64├── extra├── kernel│?? ├── arch│?? ├── crypto│?? ├── drivers│?? ├── fs│?? ├── lib│?? ├── mm│?? ├── net│?? ├── sound│?? └── virt├── modules.alias├── modules.alias.bin├── modules.block├── modules.builtin├── modules.builtin.bin├── modules.dep├── modules.dep.bin├── modules.devname├── modules.drm├── modules.modesetting├── modules.networking├── modules.order├── modules.softdep├── modules.symbols├── modules.symbols.bin├── source -> build├── updates├── vdso│?? ├── vdso32.so│?? └── vdso64.so└── weak-updates

1.2 MBR 与 BootSector

接下来我们来解决第一个问题，在没有根文件系统的前提下将内核加载进内存。
可引导设备的第一个分区叫MBR，MBR 中包含了开机引导程序 BootLoader。开机启动时会先加载 MBR内的BootLoader，由BootLoader 将内核加载到内存。有人可能会问，开机时是如何读取到MBR的，BootLoader又是如何读取到内核文件的。BIOS 通过硬件的 INT 13 中断功能来读取 MBR，也就是说，只要 BIOS 能够侦测的到你的磁盘（不论磁盘是 SATA 还是 SAS ），那他就有办法通过 INT 13 这条信道来读取该磁盘的第一个扇区内的 MBR 软件，这样 boot loader 也就能够被执行。boot loader 能够识别操作系统的文件格式，也就能加载核心文件。其他分区的第一个扇区叫做 boot sector，也可以安装BootLoader，这样可以实现多系统安装。

有了上述阐述，我们就可以开始讲解开机启动流程了。

1.2 Centos 系统的启动流程(MBR 架构)

启动流程:

POST: 加电自检。
- x86 架构的计算机被设计成，只要通电就会去执行，主板上有个 ROM 芯片内的BOIS程序
- 通过 BIOS 程序去载入 CMOS 的信息，并且借由 CMOS 内的设置值取得主机的各项硬件参数及设置，例如硬盘的大小与类型
- 在获取硬件信息后，BIOS 会进行开机自我测试 (Power-on Self Test, POST) ，然后开始执行硬件侦测的初始化，并设置 PnP 设备，之后再定义出可开机的设备顺序，接下来就会开始进行开机设备的数据读取
Boot Sequence:开机启动次序
- 家电自检完成后，计算机就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用到的设备。
- 引导程序称为 BootLoader，又称引导加载器。
- 如果是通过U盘安装操作系统，就需要进入 BIOS 设置系统的开机启动次序
bootloader：引导加载器，程序，位于MBR中；
- 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中的特定空间中，解压、展开，而后把系统控制权移交给内核
- Windows：ntloader
- Linux：
  - LILO：LIinux LOader
  - GRUB：Grand Uniform Bootloader
    - GRUB 0.X：Grub Legacy
    - GRUB 1.X：Grub2
- MBR/GRUB:
  - MBR：Master Boot Record，512bytes：
    - 446bytes：bootloader
    - 64bytes：fat, 磁盘分区表
    - 2bytes：55AA
  - GRUB：两阶段加载
    - bootloader：1st stage
    - Partition：filesystem driver, 1.5 stage
    - Partition：/boot/grub, 2nd stage
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；（有可能会借助于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
- 执行 init 程序：
  - CentOS 5：SysV init
    - 配置文件：/etc/inittab
  - CentOS 6：Upstart
    - init 的升级版，可以并行启动
    - 配置文件:
      - /etc/inittab: 为向前兼容，基本没哟使用
      - /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；
  - 升级: ramdisk –> ramfs
  - 生成工具:
    - CentOS 5: initrd – mkinitrd
    - CentOS 6,7: initramfs – dracut, mkinitrd

1.3 总结:系统初始化流程（内核级别）

POST自检，
按照BootSequence(BIOS)查找能开机启动的设备
在设备的 MBR上加载 BootLoader，BootLoader 去磁盘分区上读取内核。
Kernel可能会借助于 ramdisk 加载真正根文件系统所在设备的驱动程序
内核装载 rootfs（readonly，并执行开机启动程序 /sbin/init

需要说明的是无论是下述的 ramdisk 还是 BootLoader 都是在安装操作系统时针对当前硬件生成的。所以 BootLoader 是能够识别当前主机的硬盘设备的。但是需要注意的是BootLoader 是需要和磁盘分区打交道的，而BootLoader 本身一般是无法驱动那些软设备，逻辑设备(LVM),也无法驱动RAID这些复杂的逻辑结构，因此内核只能放在基本的磁盘分区上。

13.1 CentOS系统启动流程介绍

1. Linux 系统特性

1. Linux 系统启动流程

1.1 Linux 系统的组成

1.2 MBR 与 BootSector

1.2 Centos 系统的启动流程(MBR 架构)

1.3 总结:系统初始化流程（内核级别）

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