linux基础笔记-8-系统启动流程

15.系统启动流程

1. POST(power on self testing)
2. BIOS(boot sequence)
3. MBR(bootloader,446B)
4. kernel(ko)
5. initrd
6. /sbin/init(rootfs)，执行/etc/inittab中的服务。

学习磁盘及文件系统时说过，bootloader可以识别磁盘中的内核分区。
Linux内核启动的下一过程是启动第一个进程init（管理用户空间进程），但必须以根文件系统为载体，所以在启动init之前，还要挂载根文件系统。
根能够自识别。

回忆根文件系统必需的5个目录。

BootLoader

不同os的bootloader是不一样的，它由os安装程序提供，但mbr是不属于任何os的，是硬盘级别的。
win8后，mbr被微软锁定，不能引导其它os，其它os也不能引导windows，导致不能兼容其它系统。

linux的bootloader是很开放的，常用的有2种：
LILO(LInux LOader)，不能引导1024柱面以后分区的内核，所以不支持大硬盘(一般8G)，一般用在嵌入式里。

另一种是grub（GRand Unified Bootloader）。

Grub

两段式，或者三段式。有两个版本，grub2更新更广泛。这里以grub1为例。

1. stage1：位于mbr中，目的是引导第2阶段，而不是引导os。代码很小，文件通常被叫做引导镜像（boot.img）。
2. stage1.5：识别文件系统，文件名为/boot/grubFSNAME1_5。
3. stage 2：定位和加载 Linux 内核（vmlinuz）到内存中，并转移控制权到内核。

第2阶段有配置文件/boot/grub/grub.conf，定义了可以引导哪些os和kernel，还可以选择要加载的图片。

rpm -q grub可查询信息。

/etc/grub.conf是个链接，指向/boot/grub/grub.conf.

cat /etc/grub.conf

default：设定默认os或kernel编号
timeout：等待用户选择的超时时间
splashimage：grub背景图片，格式为.xpm.gz，可以用作图软件gimp制作。
hiddenmenu：隐藏菜单，没有该字段则不隐藏。
password指定编辑密码

grub-md5-crypt命令直接生成密码，添加：
password --md5 CYPHER

每个title指定一个os或kernel

• root一行记录内核文件所在设备，对grub而言硬盘类型全是hd，后跟第几个盘，第几个分区。
• kernel一行指定内核文件路径以及传递参数，参数可执行cat /proc/cmdline查看
• initrd一行记录ramdisk文件路径，里面是完整的linux系统，大小几m。

注意，/boot是单独分区的，但title的kernel和initrd两行路径并没有/boot，而是直接/vmlinuz，因为是通过grub直接访问的，而不是通过文件系统。

#模拟修复grub
fdisk -l # 找到系统盘sda的boot分区/dev/sda1
dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=446 count=1 #破坏bootloader
sync
#此时已经无法重启

# 第一种方式
#执行grub进入新的交互界面
grub
# 安装stage1
grub> root (hd0,0)
grub> setup (hd0)  #安装grub
grub> quit
shutdown -r now  #重启

#第二种方式
grub-install --root-directory=/ /dev/sda
# grub.conf的信息可能和命令不一致，比如系统盘

#练习  给其他硬盘装上grub
# 分3个区(内核，根，swap)
partprobe /dev/sda
mke2fs -j /dev/sda1
mke2fs -j /dev/sda2
mkswap /dev/sda3
# 把/mnt作为根
mkdir /mnt/boot
mount /dev/sda2 /mnt/boot
grub--install --root-directory=/mnt /dev/sda
# 这样就会自动创建/mnt/boot/grub/device.map
vim /mnt/boot/grub/grub.conf
# 现在，提供内核、initrd、init就可以启动了。

# 把grub.conf mv到别处模拟损坏的情况
shutdown -r now
# 会出现grub提示符
grub> find (hd0,0)/  #挨个寻找内核文件vmlinuz在哪，根据possible files判断，若是则执行root (hd0,0)。
grub> root (hd0,0)
grub> kernel /vmlinuz  # 若知道根可以附上root=...
grub> initrd /initrd-*.img
grub> boot   #尝试找根

内核

内核设计风格：

• 单内核：所有功能做进内核，实现简单，目前向微内核靠拢。线程被称作轻量级进程(lwp)；核心叫做kernel object(KO)，支持动态加载模块。
• 微内核：外围功能做成子系统，要求耦合度低，更安全，但实现复杂导致优势不明显。

linux属于单内核，windows、solaris属于微内核。
微内核才真正意义上支持多线程

linux支持20种内核架构，如arm。

查看内核：uname -r

内核的模块机制

系统启动时只是启动内核的核心，它很小，可以动态加载内核模块(KO)，又称动态可加载内核模块（Loadable Kernel Module，LKM），KO位于/lib/modules，该目录下有内核版本号命名的目录，里面的模块都很大。
目录里的net是协议栈，/drivers/net才是网卡驱动。

lsmod命令，列出模块。

vmlinuz

/boot/vmlinuz是压缩的，可引导的、可执行的Linux内核，它一般是一个软链接。

du -sh /boot/vmlinuz*会显示大小只有几m。

内核初始化过程

1. 设备检测
2. 驱动初始化，可能从initrd文件中装载驱动模块。
3. 以只读方式挂载根文件系统
4. 装载第一个进程init

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initrd

内核访问根，需要设备驱动和设备文件系统。
启动时，kernel不具备这两个条件，不能直接访问init，所以用到如下机制：
初始化时内核访问文件系统用到了根切换，其下有/proc,/sys,/dev，然后才能装载真正的文件系统。这里的中间层次是个文件，能把一块内存模拟为硬盘来用。这个文件叫做ramdisk或者ramfs。

可以把initrd理解为一个带有根文件系统的虚拟磁盘。
红帽5：ramdisk，文件名为initrd（initial ramdisk）。
红帽6：ramfs，文件名为initramfs

initrd装载进内存后，内核挂载真正的根文件系统，然后将此initrd从内存中卸掉。所以说initrd起到过渡的作用。

注意，initrd一定是和kernel位于同一分区，与kernel同时被bootloader装载，然后kernel借助它找到rootfs，进而找到/sbin/init。

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init

# 根切换
#chroot命令，把一个目录临时作为根。其下需要有/bin/bash
mkdir -pv /testroot/bin
cp /bin/bash /testroot/bin/
ldd /bin/bash     #  显示依赖库
mkdir -pv /testroot/lib
# 将依赖库依次cp进/testroot/lib
tree /testroot    #  查看
chroot /testroot  #  这样就完成了根切换

#  红帽5有一种shell叫做nash，提供命令switch_root

运行级别

windows有安全模式，linux有运行级别，不同模式/级别启动的服务不同。

linux运行级别：0-6

• 0：halt
• 1：single user mode，直接管理员登录。
• 2：multi user mode，no NFS(网络文件系统)
• 3：multi user mode，text mode
• 4：reserved，保留
• 5：multi user mode，graphic mode
• 6：reboot

/etc/inittab记录了默认运行级别，init会读取。

查看运行级别

• runlevel命令显示运行级别，输出上一个级别和当前级别。
• who -r也能显示运行级别

inittab

/sbin/init，读取配置文件/etc/inittab；它是串行启动服务的。

init并不是只有一种。红帽6以后使用upstart，是另一种init，由ubuntu开发，可以并行启动一些进程。
进程间通信基于d-bus，是事件驱动(event-driven)的。
另一种更好的是systemd(红帽6.2)，实现了完整意义上并行启动多个进程，但不太稳定，6.3以后又换回upstart。

红帽6的/etc/init包含inittab拆分后的文件。而/etc/init.d是脚本目录。

man inittab可以查看字段意义

id:runlevel:action:process
runlevel为空则表示所有级别

action：在什么情况下执行此行
initdefault：设定默认运行级别
sysinit：系统初始化，会执行/etc/rc.d/rc.sysinit脚本，该脚本至关重要。
rc：run cmd
wait：等待级别切换完成
ctrlaltdel：关机
powerfail：停电
powerwaitok：电源恢复
respawn：一旦程序终止，重新启动。

inittab中的这一行用于系统初始化
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

/etc/rc.d/rc.sysinit任务：
1.激活udev和selinux
2.根据/etc/sysctl.conf设置内核参数
3.设定时钟
4.装载键盘映射
5.启用交换分区
6.设置主机名
7.根文件系统检测，并以读写方式重新挂载
8.激活raid和lvm设备
9.启用磁盘配额
10.根据/etc/fatab检查并挂载其它fs
11.清理过期的锁和pid文件

对于/etc/rc#.d/下的文件，rc.sysinit先关闭K*服务，再启动S*服务。